Поленов Ю А Основы геологии

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Уральский государственный горный университет»
Ю. А. Поленов
ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ
Учебник
Издание четвертое, исправленное, дополненное
Екатеринбург – 2018
УДК 55 (075)
П 49
Рецензент – проф., д-р геол.-минерал, наук А. В. Козлов (зав. кафедрой геологии и разведки МПИ Национального минерально-сырьевого университета «Горный»)
Печатается по решению Редакционно-издательского совета
Уральского государственного горного университета
Поленов Ю. А.
П 49
ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ: учебник / Ю. А. Поленов; Урал. гос. горный ун-т. 4-е издание, испр., доп. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2018.
338 с.
ISBN 978-5-8019-0376-7
Излагаются общие сведения о геологическом строении Земли,
раскрываются понятия об эндогенных и экзогенных процессах, дается
представление об образовании месторождений полезных ископаемых и
последовательности геологического изучения недр.
Учебное пособие предназначено для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки: 080100.62 «Экономика», 080200.62
«Менеджмент», 080400.62 «Управление персоналом» – и специализирующихся по экономике и управлению на предприятиях горной промышленности.
УДК 55 (075)
ISBN 978-5-8019-0376-7
© Поленов Ю. А., 2018
© Уральский государственный
горный университет, 2018
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................................................... 7
Часть I. ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ
Глава 1. ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕT ГЕОЛОГИИ .......................................................................9
1.1. Наука о Земле. Фундаментальные и прикладные научные направления......... 9
1.2. Объект и предмет геологии ............................................................................. 10
1.3. Значение геологии для развития общества ..................................................... 12
1.4. Краткая история геологии ............................................................................... 13
Контрольные вопросы для самопроверки ..................................................................... 16
Глава 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ ................................................................................17
2.1. Земля во Вселенной ........................................................................................... 17
2.2. Форма и размеры Земли .................................................................................... 20
2.3. Физические поля Земли ..................................................................................... 22
2.4. Внутреннее строение Земли .............................................................................. 31
Контрольные вопросы для самопроверки ..................................................................... 35
Глава 3. ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ ................. 36
3.1. Химический состав земной коры ..................................................................... 36
3.2. Минералы ............................................................................................................ 37
3.3. Горные породы ................................................................................................... 42
3.4. Строение земной коры ....................................................................................... 44
Контрольные вопросы для самопроверки........................................................................ 48
Глава 4. ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ ................................................ 49
4.1. Общие сведения о геологических процессах .................................................. 49
4.2. Тектонические движения .................................................................................. 50
4.3. Тектонические нарушения ................................................................................ 53
4.4. Землетрясения как одно из проявлений тектонических движений ............. 68
Контрольные вопросы для самопроверки ..................................................................... 77
Глава 5. МАГМАТИЗМ..........................................................................................................79
5.1. Общая характеристика магматизма ................................................................. 79
5.2. Типы магм ........................................................................................................... 81
5.3. Причины многообразия магматических пород............................................... 83
5.4. Интрузивный (плутонический) магматизм ................................................................. 85
5.5. Эффузивный (вулканический) магматизм ................................................................ 89
3
5.6. Классификация магматических пород ......................................................... 103
5.7. Роль магматизма в образовании месторождений полезных ископаемых .... 108
Контрольные вопросы для самопроверки .................................................................. 109
Глава 6. МЕТАМОРФИЗМ .......................................................................................... 111
6.1. Общая характеристика и основные факторы метаморфизма .................... 111
6.2. Типы и условия проявления метаморфизма ................................................ 115
6.3. Метаморфические горные породы ............................................................... 121
6.4. Роль процессов метаморфизма в образовании и изменении
месторождений полезных ископаемых ........................................................ 131
Контрольные вопросы для самопроверки ................................................................... 132
Глава 7. ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ..................................... 133
7.1. Основные виды экзогенных геологических процессов.............................. 133
7.2. Выветривание ................................................................................................. 135
7.3. Геологическая деятельность ветра ............................................................... 142
7.4. Геологическая деятельность поверхностных вод ....................................... 145
7.5. Геологическая деятельность подземных вод .............................................. 158
7.6. Лёд и его геологическая деятельность ......................................................... 161
7.7. Литогенез ........................................................................................................ 170
Контрольные вопросы для самопроверки ................................................................... 173
Глава 8. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ.
ОСНОВЫ ИСТОРИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ .................................................. 174
8.1. Содержание и методы исторической геологии ........................................... 174
8.2. Характеристика основных этапов развития земной коры ........................... 185
8.3. Основные этапы развития органического мира ...............................................190
8.4. Происхождение человека ................................................................................ 193
8.5. Современные представления о формировании земной коры ........................197
Контрольные вопросы для самопроверки .................................................................... 211
Часть II. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Глава 9. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ, ПРОВОДИМЫЕ В ПРОЦЕССЕ РАЗВЕДКИ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ.......................................... 212
9.1. Общие сведения .............................................................................................. 212
9.2. Гидрогеологические исследования ............................................................... 214
4
9.3. Инженерно-геологические исследования ..................................................... 220
9.4. Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования
в процессе разведки месторождений полезных ископаемых ..................... 227
Контрольные вопросы для самопроверки ................................................................... 229
Часть III. ГЕОЛОГИЯ И РАЗВЕДКА
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Глава 10. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ............................... 230
10.1. Основные понятия и определения .............................................................. 230
10.2. Морфология и условия залегания тел полезных ископаемых ................. 234
10.3. Вещественный состав полезных ископаемых ........................................... 240
10.4. Генетическая классификация месторождений полезных ископаемых ... 244
10.5. Геологические и физико-химические факторы, определяющие
условия образования и размещения месторождений ................................ 251
10.6. Металлические полезные ископаемые ........................................................ 257
10.7. Неметаллические полезные ископаемые .................................................... 261
10.8. Горючие ископаемые ..................................................................................... 265
Контрольные вопросы для самопроверки ................................................................... 267
Глава 11. СИСТЕМА ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ НЕДР ............................. 269
11.1. Организация геологического изучения недр в России ............................... 269
11.2. Геологическая съёмка .................................................................................. 274
11.3. Поиски месторождений полезных ископаемых .......................................... 279
11.4. Разведка месторождений полезных ископаемых ........................................ 280
11.5. Опробование при разведке и разработке месторождения ............................282
Контрольные вопросы для самопроверки ........................................................................283
Глава 12. ГЕОЛОГО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ОЦЕНКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ ............. 284
12.1. Задачи оценки ................................................................................................. 284
12.2. Понятие о кондициях ..................................................................................... 286
12.3. Категории запасов и прогнозных ресурсов
твёрдых полезных ископаемых ................................................................... 290
12.4. Группы запасов твёрдых полезных ископаемых
по их экономическому значению................................................................. 295
12.5. Подготовленность месторождений для промышленного освоения ......... 297
12.6. Группы месторождений по сложности геологического строения ........... 298
12.7. Группы месторождений по степени изученности ....................................... 299
5
12.8. Методы подсчёта запасов .............................................................................. 302
Контрольные вопросы для самопроверки ................................................................... 303
Глава 13. ТЕХНОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ................... 304
13.1. Понятие техногенеза ...............................................................................................304
13.2. Техногенные изменения внешних геосфер ............................................................. 307
13.3. Техногенные изменения земной коры ..................................................................311
13.4. Рациональное использование и охрана минеральных ресурсов ............. 315
Контрольные вопросы для самопроверки ................................................................... 320
Глава 14. УРАЛЬСКИЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ МУЗЕЙ .............................................. 321
14.1. История создания музея .............................................................................. 321
14.2. Отдел общей и исторической геологии ..................................................... 323
14.3 Отдел полезных ископаемых ....................................................................... 325
14.4. Отдел минералогии ...................................................................................... 328
Контрольные вопросы для самопроверки ................................................................... 336
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................... 337
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Геологическое образование является одним из важнейших элементов подготовки современного горного инженера, специалиста широкого
профиля, способного при постоянно усложняющихся горно-геологических условиях успешно решать проблемы хозяйственного освоения недр
Земли. Роль геологии на современном этапе научно-технического развития еще более возрастает в связи с решением проблемы охраны и рационального использования недр и природы в целом.
Для специалистов экономического профиля по направлениям подготовки «Экономика», «Менеджмент», «Управление персоналом» и др.,
получающих высшее профессиональное образование в вузах горногеологического профиля ФГОС ВО предусмотрено изучение дисциплины «Основы геологии», в которой в сокращенном варианте рассматривается многообразие геологических сведений. Цикл «Геологические
дисциплины» включает следующие основные модули: «Общая геология», «Гидрогеология и инженерная геология», «Геология и разведка
месторождений полезных ископаемых». Все эти направления рассматриваются по обобщающей схеме в учебнике «Основы геологии».
Специалист, владеющий знаниями по геологии, разведке и геологоэкономической оценке месторождений полезных ископаемых, сможет
более эффективно осуществлять деловые функции на различных уровнях руководства ресурсосберегающим производством. Такие знания
в сочетании со знаниями по дисциплинам (экономического) горнотехнологического профиля и практическим опытом помогут специалисту, прежде всего, в выборе объекта недропользования в целом, определить последовательность эксплуатации его отдельных частей и принять
участие в их проектировании и строительстве. Ему принадлежит приоритетное профессиональное право на выбор способов отработки и
вскрытия месторождения, а также систем разработки его запасов.
7
Рабочая программа дисциплины «Основы геологии» составлена
в соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлениям подготовки: 080100.62 «Экономика», 080200.62 «Менеджмент», 080400.62
«Управление персоналом».
Основой данного учебника является учебное пособие Ю. А. Поленова «Основы геологии» (курс лекций), претерпевшего трехкратное издание (1999, 2004, 2008 гг.). В 2004 году учебное пособие вышло с грифом «Допущено УМО по образованию в области прикладной геологии в
качестве учебного пособия по дисциплине «Основы геологии» для студентов вузов, обучающихся по направлению «Менеджмент» и специализирующихся по экономике и управлению на предприятиях горной промышленности». Учебник переработан с использованием новой информации, содержащейся в многочисленных учебных пособиях, перечень
которых приведен в разделе «Список использованной литературы»,
и составлен с учетом богатого опыта автора в организации и проведении
геологоразведочных работ и преподавании дисциплин геологического
профиля в Уральском государственном горном университете.
Учебник построен по модульному принципу. Каждый модуль содержит учебно-информационную часть и вопросы для самоконтроля усвоения знаний. Структура учебника содержит следующие части: часть I
«Общая геология», часть II «Историческая геология», часть III «Геология и разведка месторождений полезных ископаемых».
В качестве итогового результата изучения основ геологии дана информация об Уральском геологическом музее, который, по выражению
Н. Лемери, следует рассматривать в качестве «библиотеки, книги которой написаны самой природой».
8
Часть I
ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ
Глава 1
ОБЪЕКТ И ПРЕДМЕТ ГЕОЛОГИИ
1.1. Наука о Земле.
Фундаментальные и прикладные научные направления
Два греческих слова: «гео» – Земля и «логос» – учение – позволяют
трактовать термин «геология» как науку о Земле. Однако в наше время
ограничиться таким простым толкованием уже нельзя, поскольку этот
термин объединяет в себе целый комплекс самостоятельных направлений, как фундаментальных, так и прикладных.
Под фундаментальными обычно понимают те направления, которые разрабатывают понятия, открывают явления, закономерности, свойства, определяющие развитие геологии как науки. Фундаментальность
не следует отождествлять с теоретическими разработками.
К прикладным направлениям принято относить те, которые непосредственно работают на производство: создают приёмы, методы, технологию геологических исследований, связанных в первую очередь
с поисками и разведкой полезных ископаемых, а также охраной и рациональной эксплуатацией земных недр.
С учетом сделанных замечаний и определённой доли условности
к фундаментальным геологическим наукам могут быть отнесены следующие дисциплины: «Общая геология», «Минералогия», «Петрография», «Геохимия», «Геотектоника», «Историческая геология». Названные дисциплины занимаются различными уровнями организации вещества Земли в пространстве и во времени. Именно это обстоятельство
9
в основном и определяет фундаментальность каждого из названных направлений. Все они теснейшим образом связаны между собой.
Несколько слов о прикладных науках. Их в современной геологии
значительно больше, чем фундаментальных. Назовём лишь несколько:
региональная геология, структурная геология и геологическое картирование, полевая геология, поиски и разведка месторождений полезных
ископаемых, инженерная геология. Так же как и фундаментальные науки, они дифференцированы, но существенно сильнее.
Между фундаментальными и прикладными науками существует
прямая и обратная связь. Фундаментальные науки определяют развитие
прикладных, идейно формируют их, создавая теоретические основы
и образ мышления геологов-прикладников. Прикладные науки, в свою
очередь, имея дело с живым, конкретным геологическим материалом,
питают фундаментальные науки натурной информацией, тем самым
способствуя их развитию. Именно прикладные науки контролируют
фундаментальные, позволяя истинное отличить от ложного.
1.2. Объект и предмет геологии
Геология – одна из древнейших наук. Тысячелетия назад наши далёкие предки использовали остроугольные обломки камня в качестве орудия труда, охоты; позже человек научился выплавлять металлы. Каменный век, бронзовый век, железный век – это вехи человеческой цивилизации, которые по существу являются этапами освоения геологических
знаний.
Современная геология – обширная область знаний о нашей планете,
её строении и развитии, формировании и размещении полезных ископаемых. Она изучает статические геологические явления и динамические
геологические процессы, имевшие место в глубокой древности и происходящие в настоящее время.
10
Объектом общей геологии является Земля в целом: её возникновение как планеты, формирование внутренних и внешних оболочек, их
функционирование и взаимодействие. Иными словами, речь идёт об изучении Земли как геологической системы.
Предметом непосредственного изучения геологии служат минералы, горные породы, ископаемые органические остатки, современные
геологические процессы, предметы космического происхождения.
В основе научного познания геологической истории Земли, реконструкции процессов и обстановок прошлого лежит метод актуализма.
При использовании этого метода к пониманию прошлого идут от изучения современных процессов, но с осознанием того, что в прошлом, особенно отдалённом от современности, физико-географическая обстановка
и сами процессы отличались от современных тем больше, чем больше
отдалена от нас прошлая геологическая эпоха.
В геологии применяются прямые, косвенные, экспериментальные
и математические методы исследований.
К прямым методам относятся такие, которые позволяют непосредственно изучать вещество пород, полезных ископаемых. В эту группу
входят методы изучения строения верхней части планеты в естественных
обнажениях и искусственных горных выработках.
К косвенным методам относят геофизические, основанные на изучении естественных и искусственных физических полей, создаваемых Землей в целом и отдельными объектами. Эти методы имеют значительно
большую глубинность, чем прямые методы. По характеру изучаемых физических свойств и полей различают сейсмические, гравиметрические,
электрические, магнитометрические и другие методы.
Экспериментальные исследования в геологии направлены на моделирование различных геологических процессов и искусственное получение различных минералов и горных пород.
Применение математических методов и ЭВМ в геологии представляет собой весьма молодое, но перспективное направление. Однако
11
их применение сталкивается с серьёзными трудностями, обусловленными сложностью формализации и неоднозначностью геологических понятий и определений, недостаточной количественной изученностью характера изменений и связи исследуемых геологических объектов.
1.3. Значение геологии для развития общества
Огромное значение, которое имеет геология, может быть рассмотрено в двух аспектах – общенаучном и народнохозяйственном.
Общенаучное значение геологии заключается в её неоценимой роли
в формировании материалистического понимания природы. Данные геологии играют важную роль в диалектико-материалистическом обосновании философских принципов, отражающих материальное единство
мира и его развитие.
Практическое значение геологии заключается в обеспечении минерально-сырьевыми ресурсами различных отраслей народного хозяйства,
в инженерно-геологическом обосновании строительства разнообразных
гражданских и промышленных объектов, в решении питьевого и технического водоснабжения.
Особенно велико значение геологии для горной науки и промышленности. В связи с интенсификацией горного производства, растущей
тенденцией снижения качества минерального сырья и усложнения горно-геологических условий разработки месторождений актуальной становится задача прогнозирования этих условий, что возможно только на базе детальных геологических исследований объектов.
Невосполнимость запасов извлекаемых из недр многих видов минерального сырья ставит проблему его добычи с наименьшими потерями,
а изыскание рациональных схем вскрытия и отработки месторождений
также требует проведения детальных геологических исследований. Остро стоит проблема комплексного использования полезных ископаемых,
12
которая может быть решена только на основе глубокого изучения вещественного состава рудного сырья.
Внедрение некоторых методов добычи полезных ископаемых, к которым относятся выщелачивание руд (урана, меди, золота), калийных
и каменных солей, подземная выплавка серы и подземная газификация
углей, добыча полезных ископаемых со дна морей и океанов, совершенно невозможно без чёткогопредставления о геологическом строении разрабатываемых объектов, их вещественном составе, а также о тех геологических и физико-химических процессах, которые в них протекают.
Интенсификация горного производства приводит к его значительной концентрации, перемещению огромных масс горных пород. Это вызывает существенные нарушения природных равновесий, создававшихся
в течение миллионов лет. Сам процесс добычи минерального сырья выступает как один из мощнейших техногенных факторов воздействия на
земную кору, последствия которого сопоставимы с воздействием экзогенных геологических процессов. В этой связи перед геологами и горняками в настоящее время встает ещё одна проблема – проблема охраны
и рационального использования недр, являющаяся важнейшим звеном
общей проблемы охраны природы.
1.4. Краткая история геологии
Геология зародилась в глубокой древности. Задолго до н. э. человек
научился выплавлять металлы, использовать минеральную воду. Издавна
привлекали внимание человека и природные процессы. Однако временем возникновения геологии как науки принято считать вторую половину XVIII в. – период зарождения и бурного развития горнодобывающей
промышленности капиталистического типа.
В России основоположником обобщений геологических знаний стал
М. В. Ломоносов (1711-1765), в Западной Европе – Д. Геттон (17261797) и А. Г. Вернер (1750-1817).
13
М. В. Ломоносов выдвинул гениальные идеи формирования рельефа
земной поверхности благодаря взаимодействию внутренних и внешних
сил, рассчитал мощность земной коры, объяснил происхождение многих
минералов и горных пород, заложил основы важнейшего для геологии
метода актуализма, сформулировал в работе «О слоях земных» (1759)
основные идеи эволюционной геологии, которые позднее были развиты
английским ученым Ч. Лайелем.
В процессе борьбы геологов-эволюционистов с катастрофистами (Ж. Кювье, Л. Бух, Эли де Бомон), отрицавшими постепенное развитие Земли и объяснявшими историю геологического развития периодически повторяющимися катастрофами, на рубеже XVIII-XIX вв. сформировались важнейшие научные дисциплины: историческая и динамическая геология. Эволюционные идеи в геологии получили поддержку
в гениальных космогонических гипотезах И. Канта и П. Лапласа и в ХIV в.
утвердились окончательно.
Большое значение для развития геологической мысли имели дискуссии между «нептунистами» (А. Г. Вернер), признававшими ведущую роль воды во всех геологических процессах и происхождение всех
горных пород на дне водных бассейнов, и «плутонистами» (Д. Геттон),
которые с «подземным жаром» связывали преобразование Земли и образование горных пород. «Плутонисты» в этой научной борьбе одержали
победу, которая основывалась на сборе и анализе многочисленных новых факторов, способствовавших развитию геологии.
Успехи геологического картирования во второй половине XIX в.
создали предпосылки для геологических обобщений по отдельным районам, странам и в целом по континентам. Были выявлены качественно
различные области земной коры – мобильные (так называемые геосинклинальные) и стабильные «жёсткие» (платформенные). Учение
о геосинклинальных и платформенных областях явилось основой для
возникновения геотектоники (Дж. Холл, Дж. Д. Дэна, А. П. Карпинский,
Э. Зюсс и др.).
14
В 1875 г. была создана международная организация геологов – Международный геологический конгресс, на периодических сессиях которого обсуждаются итоги геологических исследований отдельных стран
и принимаются решения общего значения. Так, Конгрессом были приняты специальные решения по унификации содержания и оформления
геологических карт, номенклатуре горных пород и стратиграфических
подразделений, геологической терминологии и т. д.
Одновременно в различных странах начали появляться национальные геологические организации. В России был создан Геологический
комитет в 1882 г. (до этого с 1700 г. существовали Приказ рудокопных дел, а затем Берг-Коллегия). Он развернул планомерные работы по
геологической съёмке и картированию территории страны.
В небывалых масштабах геологические исследования развились
в нашей стране после Октябрьской революции. За первые 20 лет советской власти геологическая изученность составила 50 % территории,
в том числе в масштабе 1:200000 – 6,0 %, а в масштабе 1:100000 и крупнее – 2,8 % площади страны. По состоянию на 1983 г. картирование
в масштабе 1:200000 охватило всю территорию страны, а в масштабе
1:50000 – 30 %.
Трудами наших выдающихся учёных А. Д. Архангельского, Н. В. Белова, А. Т. Бетехтина, Ю. А. Билибина, В. И. Вернадского, А. П. Виноградова, И. М. Губкина, Ф. Ю. Левинсон-Лессинга, В. А. Обручева,
С. С. Смирнова, Н. М. Страхова, М. М. Тетяева, А. Е. Ферсмана, Н. С. Шатского и др., деятельностью многотысячной армии геологов-практиков
в нашей стране был достигнут прогресс в развитии всех областей геологических знаний, создана прочная минерально-сырьевая база для всех
отраслей народного хозяйства.
15
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Что изучает наука геология?
2. Что является объектом и предметом геологии?
3. В чем заключается сущность актуалистического метода исследований?
4. Какие методы исследования применяются в геологии для изучения
строения Земли?
5. В чем заключается общенаучное значение геологии?
6. Роль геологии для экономического развития общества?
7. Кто является основоположником обобщений геологических знаний
в России и Западной Европе?
16
Глава 2
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕ
2.1. Земля во Вселенной
«Вселенная, весь мир, бесконечный во времени и пространстве
и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная существует объективно, независимо от сознания человека, её познающего. Вселенная содержит гигантское множество небесных тел, многие из которых по размерам превосходят Землю иногда во много миллионов раз» (БСЭ, т. 5, с. 1315).
Доступная для изучения часть Вселенной называется Метагалактикой,
включающей свыше миллиарда звёздных скоплений, или галактик
(греч. «галактика» – молочный, млечный).
Наша Галактика Млечного Пути – типичная звездная система
с массой около 1012 масс Солнца, относится к типу спиральных и включает свыше 150 миллиардов звёзд. С Земли, расположенной внутри Галактики, Млечный Путь представляется в виде широкой белёсой полосы
звезд, пересекающей небо. Период обращения Солнца и звёзд вокруг
центра Млечного Пути 215 млн. лет. Возраст Галактики около 12 млрд.
лет. Когда речь идёт о Солнечной системе, то имеется в виду Солнце
и всё, что находится в поле его тяготения. К наиболее крупным телам
этой системы относятся 9 планет, 34 их спутника, многочисленные кометы и астероиды.
Согласно современным космогеническим представлениям, Земля
и другие планеты Солнечной системы образовались 4,6 млрд. лет назад
почти одновременно с Солнцем.
Все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении и,
кроме Меркурия и Плутона, по орбитам, близким к круговым. При этом
плоскости их орбит практически совпадают (с точностью до нескольких
градусов). Большинство планет вращается вокруг своих осей в направ17
лении, совпадающем с их движением вокруг Солнца. Исключением являются Венера и Уран. Венера вращается в противоположную сторону,
а ось вращения Урана почти лежит в плоскости его орбиты. Основная
информация по Солнечной системе приведена в табл. 1 [16].
Таблица 1
Характеристика Солнечной системы
Небесные
тела
Средний
радиус,
км
Среднее
расстояние от
Солнца,
млн, км
Период
обращения по
орбите
Период
вращения
вокруг
оси
Солнце
695000
–
~275×10б
лет
25 сут
Меркурий
Венера
Земля
2440
57,9
88 сут
59 сут
6129
6378
108,2
149,6
Марс
3387
227,9
Юпитер
Сатурн
71400
60000
778,3
1427
Уран
25900
2870
84,01 лет
Нептун
24750
4497
Плутон
2900
5900
Луна
1740
На- Число Масса,
клон спуткг
оси
ников
вращения**
–
9 пла- 1,98×10 30
нет
Атмосфера
(основные
газы)
Н, Hе
0
3,28×10 23
Нет
0
1
4,83×10 24
5,98×10 24
СО3
Н, О,
СО2, Аr,
Н2О
2
6,37×10 23 СО2, Аr
13
II
1,90×10 21
5,67×1026
Н, Не
Н, Не
11 ч*
82°05' 5(15)*** 8,80×10 25
Н, Не,
СН 4
164,8 лет
16 ч
28°48'
2
1,03×10 26
Н, Не,
СН4
247,7 лет
9 сут 9 ч
–
0
6×l023 (?) Не обнаруж.
29,5 сут
6°40'
–
7,34×10 22
28°
224,7 сут 243 сут*
3°
365,26 сут 23 ч 56 мин 23°27'
4с
687 сут
24ч
23°59'
37 мин
23 с
11,86 лет 9 ч 30 мин 3°05'
З0 ч
29,46 лет
10
26°44'
14 мин
29,5 сут
*
Нет
Обратное вращение.
**
От нормали к плоскости своей орбиты (то же, что и наклон плоскости экватора к плоскости орбиты).
***
В 1986 г. космической станцией «Вояджер-2» помимо известных 5 обнаружено ещё 10 мелких спутников.
18
Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите на среднем расстоянии 149,6 млн. км (144,117 млн. км в перигелии, 152,083
в афелии), период обращения 365,242 средних солнечных суток (год),
скорость в среднем 29,765 км\с (30,27 км\с в перигелии, 29,27 км\с
в афелии). Период обращения Земли вокруг оси 23 ч 56 мин 4,1 с (сутки). Положение оси вращения по отношению к телу Земли испытывает
изменения (среднее положение Северного полюса смещается в сторону
Северной Америки со скоростью 11 см в год, отклонение от среднего
положения на 11-15 м).
Естественный спутник Земли Луна обращается вокруг нее по эллиптической орбите на среднем расстоянии 384400 км. Масса Луны 73,5×
×1021 кг, что составляет 1\81,5 долю массы Земли.
В последние десятилетия в решении вопроса происхождения Солнечной системы и нашей Земли как её составного элемента достигнуты
значительные результаты.
Пожалуй, все согласны с тем, что исходным веществом для формирования Солнечной системы послужили межзвёздная пыль и газы, широко распространенные во Вселенной. Но каким образом в их составе
оказался полный набор химических элементов таблицы Менделеева и
что послужило толчком для начала конденсации газа и пыли в протосолнечную туманность? Существует два варианта ответа на эти вопросы.
Первый – образование протосолнечной туманности из рассеянных
газа и пыли – эволюционный. Он ведёт через образование под влиянием
гравитационного сжатия сгущений этой материи – молекулярных облаков – к возникновению уплотнений внутри этих облаков и далее к преобразованию таких уплотнений в молодые звёзды типа нашего Солнца,
окруженные протопланетным диском. Но в этом случае остается открытым вопрос о происхождении разнообразия химических элементов,
и предполагается, что такое разнообразие, очевидно, было свойственно
уже первичному сгущению межзвёздной материи - молекулярному облаку.
19
Вот здесь и приходится привлекать посторонний фактор – взрыв
Сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. Именно такой взрыв массивной звезды, в недрах и газовой оболочке которой
за счет ядерных реакций шёл синтез химических элементов, мог привести к появлению на свет всего разнообразия химических элементов,
в том числе естественно радиоактивных, причем многие из последних
довольно быстро распались. Этот же взрыв своей ударной волной мог
стимулировать начало конденсации межзвездной материи, приведшей
в конечном счете к образованию Солнца и протопланетного диска.
Следующая стадия образования Солнечной системы предусматривает распад протопланетного диска на отдельные планеты внутренней
и внешней групп с поясом астероидов между ними. Промежуточной фазой было образование сонма твердых и довольно крупных, до сотен километров в диаметре, тел, именуемых планетезималями, последующее
скопление и соударение которых и явилось процессом аккреции (наращивания) планеты. Этот процесс занял не более сотни миллионов лет,
т. е. был с геологической точки зрения очень быстрым. Однако есть модели быстрой и медленной аккреции.
Важнейшее отличие Земли от других планет Солнечной системы –
существование на ней жизни, появившейся 3-3,5 млрд. лет назад и достигшей с появлением человека (12 млн. лет назад) своей высшей формы.
2.2. Форма и размеры Земли
Земля – одна из девяти планет, вращающихся вокруг Солнца. Первые представления о формах и размерах Земли появились еще в глубокой древности. Античные мыслители (Пифагор – V в. до н. э., Аристотель – III в. до н.э. и др.) высказывали мысль, что наша планета имеет
шарообразную форму.
Геодезические и астрономические исследования последующих столетий дали возможность судить о действительной форме Земли и ее
20
размерах. На рубеже XVII и XVIII вв. впервые Ньютон теоретически
обосновал положение о том, что под воздействием силы тяжести Земля
должна иметь сжатие в направлении оси вращения, и, следовательно, ее
форма представляет эллипсоид вращения, или сфероид.
Поверхность реальной Земли чрезвычайно сложна и во всех деталях
навряд ли может быть описана с помощью математических формул. Однако эта сложность существенно уменьшается при переходе от крупномасштабного к мелкомасштабному изображению, когда особенности
рельефа Земли рассматриваются для достаточно обширных территорий.
Под фигурой, или формой Земли, понимают форму ее твердого тела, образованную поверхностью материков и дном морей и океанов.
Форма планеты определяется ее вращением, соотношением сил притяжения и центробежной, плотностью вещества и его распределением
в теле Земли. Геодезические измерения показали, что упрощенная форма Земли приближается к эллипсоиду вращения (сфероиду). В СССР
в качестве эталона в 1946 году был принят эллипсоид Ф. Н. Красовского
и его учеников (А. А. Изотов и др.), основные параметры которого подтверждаются современными исследованиями и с орбитальных станций.
По этим данным экваториальный радиус равен 6378,245 км, полярный
радиус 6356,863 км полярное сжатие 1/298,25. Объем Земли составляет
1,083×1012 км3 , а масса – 6 1027 г. Ускорение силы тяжести на полюсе
983 см\с2, на экваторе 978 см\с2. Площадь поверхности Земли около
510 млн км2, из которых 70,8 % составляет Мировой океан и 29,2 % –
суша.
В распределении океанов и материков наблюдается определенная
дисимметрия. В Северном полушарии это соотношение составляет 61 и
39 %, в Южном-81 и 19 %.
В связи с расчлененностью рельефа (наличием высоких гор и глубоких впадин) действительная форма Земли является более сложной, чем
трехосный эллипсоид. Наиболее высокая точка на Земле – гора Джомолунгма в Гималаях – достигает высоты 8848 м. Наибольшая глубина –
21
11 034 м – обнаружена в Марианской впадине. Таким образом, наибольшая амплитуда рельефа земной поверхности составляет немногим менее
20 км. Учитывая эти особенности, немецкий физик Листинг в 1873 г. фигуру Земли назвал геоидом, что дословно обозначает «землеподобный».
Геоид – некоторая воображаемая уровневая поверхность, которая определяется тем, что направление силы тяжести к ней будет всегда перпендикулярно. Эта поверхность совпадает с уровнем воды в Мировом океане, который мысленно проводится под континентами. Это та поверхность, от которой проводится отсчет высот рельефа.
Рис. 1. Поверхности рельефа (физическая поверхность), сфероида и геоида
Поверхность геоида приближается к поверхности трехосного эллипсоида, отклоняясь от него местами на величину 100-150 м (повышаясь
на материках и понижаясь на океанах) (рис. 1), что, по-видимому, связано с плотностными неоднородностями масс в Земле и появляющимися
из-за этого аномалиями силы тяжести.
2.3. Физические поля Земли
Физические поля, создаваемые планетой в целом и отдельными изолированными телами, определяются совокупностью присущих каждому
физическому объему свойств. Поскольку эта связь существует, следует
22
ожидать и обратную зависимость. На основании изучения параметров
или элементов различных полей Земли можно составить представление
о внутреннем строении планеты в целом, отдельных ее особенностей,
о строении различных регионов, а также о некоторых закономерностях
развития геологических процессов. Остановимся на рассмотрении некоторых физических полей Земли.
Гравитационное поле Земли – силовое поле, обусловленное притяжением масс Земли и центробежной силой, которая возникает вследствие суточного вращения Земли; незначительно зависит также от притяжения Луны и Солнца и других небесных тел и масс земной атмосферы
(Горная энц., т. 2, 160). Пространство, в пределах которого проявляются
силы притяжения Земли, называется полем силы тяжести, или гравитационным полем. Оно отражает характер распределения масс в недрах
планеты и тесно связано с фигурой Земли. Изучением гравитационного
поля Земли занимается гравиметрия – научная дисциплина, являющаяся
частью геофизики. Характеристики гравитационного поля измеряются
с помощью гравиметров. Величина силы тяжести выражается в галлах.
Для каждой точки земной поверхности характерна своя величина силы
тяжести; в центре Земли сила тяжести равна нулю.
Средняя сила тяжести на Земле 979,8 Гал; уменьшение средней силы тяжести от полюса к экватору 5200 мГал (в т. ч. за счет суточного
вращения Земли 3400 мГал); максимальная аномалия силы тяжести на
Земле 660 мГал.
Обычно гравитационное поле Земли представляют состоящим из 2
частей: нормальной и аномальной составляющих. Основная нормальная
часть поля соответствует схематизированной модели Земли в виде эллипсоида вращения. Разность измеренной силы тяжести и нормальной
называется аномалией силы тяжести. При изучении гравитационного
поля установлена закономерная связь региональных аномалий Буге
с наиболее крупными формами рельефа поверхности. При этом в высокогорных областях материков эти аномалии отрицательные, а над глубо23
ководными океаническими впадинами – положительные. Наблюдаемые
закономерности согласуются с гипотезой гидростатической уравновешенности Земли, т. е. с принципом изостазии. Изучение гравитационных
полей проводится с целью выявления особенностей строения земной коры, выделения крупных тектонических нарушений, тектонического районирования земной коры, установления границ нефтегазоносных, угленосных и рудоносных зон и областей, а также для поисков и разведки
месторождений полезных ископаемых (железа, хромитов, меди, полиметаллов, серы, минеральных солей и пр.).
Геомагнитное поле – магнитное поле Земли, создаваемое в основном действием источников, расположенных внутри Земли, а также
в магнитосфере и ионосфере. Изучение магнитного поля Земли показало,
что наша планета представляет собой гигантский магнит, поле которого
проявляется на ее поверхности и в окружающем пространстве. Внешнее
магнитное поле Земли по форме силовых линий близко к полю так называемого диполя - элементарного бесконечно малого магнита, смещенного относительно центра нашей планеты на 436 км (рис. 2). Ось магнитного поля наклонена к оси вращения Земли (11,5°), поэтому магнитные
полюса расположены недалеко от полюсов вращения. Южный магнитный полюс расположен в Северной Гренландии вблизи обсерватории
Туле (74° с. ш. и 100° з. д.), а северный – на северо-восточной оконечности Земли Виктории в Антарктиде (68° ю. ш. и 145° в. д.).
Многолетние наблюдения и измерения составляющих магнитного поля позволили установить его изменчивость во времени. Так, уже в течение
суток отмечается периодическое, достаточно правильное изменение параметров геомагнитного поля. Эти изменения обусловлены суточными изменениями положения Земли относительно Солнца и называются суточными вариациями геомагнитного поля. Эти вариации невелики. В течение
более продолжительных интервалов времени (десятки, сотни лет) также
отмечается изменчивость составляющих магнитного поля Земли. Эти
24
плавные изменения геомагнитного поля по напряженности обычно не превышают десятков гамм и называются вековыми вариациями.
Рис. 2. Строение магнитного поля Земли (штриховкой показаны радиационные пояса)
Магнитное поле Земли влияет на ориентировку ферромагнитных минералов (магнетита, ильменита, титаномагнетита, гематита) в горных
породах. На основании изучения ориентировки ферромагнитных минералов можно определить направление магнитного поля в период образования соответствующей горной породы. Эти исследования палеомагнетизма в настоящее время приобретают большое значение. Установлено,
что в течение геологической истории Земли происходили инверсии и перемещения магнитных полюсов (рис. 3).
Еще одним феноменом магнитного поля Земли является его способность к относительно быстрой смене полярности, т. е. к инверсии полюсов. В течение последних 70 млн лет инверсии происходили не менее 1-2
раз за каждый миллион лет. Сам процесс инверсии протекает сравнительно быстро, в течение нескольких тысяч лет, а интервалы существования
прямой и обратной полярности продолжаются от 1 тыс. до 0,5 млн лет.
25
Рис. 3. Кривая миграции магнитного полюса в Северном полушарии.
Цифры – миллионы лет назад; чёрный цвет кривой соответствует
эпохам прямой полярности поля
Геомагнитное поле характеризуется неоднородной пространственной
структурой и широким спектром вращений. Это объясняется тем, что оно
создается за счет источников различной природы. Возникновение основных
компонентов (96-99 %) поля, согласно наиболее распространенной гипотезе, объясняется движением электропроводящего вещества в жидкой части
ядра, которое приводит к самовозбуждению главного магнитного поля.
Самой древней и наиболее распространенной областью использования
магнитного поля Земли является ориентирование по странам света с помощью компаса. Значительные различия магнитных свойств горных пород
служат основанием широкого использования магниторазведки для поисков
и разведки месторождений полезных ископаемых.
26
Поиски полезных ископаемых на основе использования магнитного
поля осуществляются довольно хорошо разработанной отраслью геофизических методов – магнитной разведкой (магниторазведкой). Составляющие
магнитного поля измеряют специальным прибором – магнитометром.
Тепловое поле Земли. Наша планета имеет сложное тепловое поле,
обусловленное несколькими причинами. По направлению и области приложения их можно разделить на поверхностные и глубинные.
К группе поверхностных факторов теплового поля прежде всего следует отнести излучение Солнца. Земля получает ничтожную долю солнечного излучения, всего одну двухмиллиардную его часть, что определяется
сравнительно небольшими размерами нашей планеты и ее значительным
удалением от Солнца.
За 1 сек. Солнце излучает тепловую энергию около 4,19×1026 Дж,
что создает на внешней границе земной атмосферы тепловой поток
1400 Вт\м2 , или, после его распределения по сфере, около 350 Вт\м2 горизонтальной площади. Таким образом, энергия Солнца, поступающая
на землю в 1сек., составляет 1,78×1017 Дж, что примерно эквивалентно
энергии, выделяющейся при сжигании 1 млрд. т нефти. Для сравнения
можно указать, что за 1986 г. в мире было добыто около 2,8 млрд. т нефти. В течение одного года наша планета получает от Солнца около
5,6×1024 Дж, что, например, в 100 000 раз больше энергии сжигания всех
запасов нефти на Земле.
1\3 солнечной энергии отражается атмосферой и поверхностью Земли
и рассеивается. Таким образом, Земля поглощает и перерабатывает около
3,6×1024 Дж\год. На 1 см2 земной поверхности в час в среднем поступает
около 80 Дж тепловой энергии Солнца, из которых 27 Дж поглощаются атмосферой, а 53 Дж поступают на поверхность литосферы и гидросферы.
Участок поверхности Земли площадью 1 см, ориентированный перпендикулярно к лучам Солнца, получает в 1 мин. 8,173 Дж тепла.
Эта величина называется солнечной постоянной. Она может быть
проиллюстрирована следующим примером. Представим себе, что уда27
лось полностью освоить количество солнечного тепла, падающего за
1 мин. только на 0,5 га поверхности пустыни Каракумы. Тогда количество энергии, полученной этим участком, будет равно годовой выработке
Днепрогэса.
Другим поверхностным источником тепла является трение приливных
«горбов» в гидросфере Земли. Однако количество выделяемого при этом
тепла настолько мало, что оно не оказывает существенного влияния на тепловой режим поверхности Земли. По оценкам ученых, количество энергии,
освобождающейся при приливном трении, составляет около 1020 Дж\год.
Если учесть, что часть этой энергии расходуется на торможение вращения
Земли и ускорение вращения Луны, то количество тепла, поступающего на
поверхность (в основном в гидросфере), по-видимому, составит не более
нескольких процентов величины солнечной радиации.
Таким образом, солнечная радиация является основным источником
тепла на поверхности Земли. Излучение Солнца намного превышает интенсивность других факторов теплового поля Земли – глубинных. Так, если
поток солнечного тепла, достигающий поверхности Земли, в среднем имеет
порядок 8 Дж\см2 мин, то из глубины на поверхность поступает всего около 4×10-4 Дж\см2 мин.
Ввиду такого различия интенсивности поверхностных и глубинных источников тепла можно считать, что температура на поверхности нашей
планеты практически целиком определяется излучением Солнца. По этой
же причине температура верхнего слоя литосферы (и гидросферы) подвержена сезонным и суточным колебаниям. С глубиной, однако, эти колебания ослабевают, пока, наконец, деятельность солнечной радиации не уравновесится влиянием глубинных факторов. Глубина, на которой температура практически не меняется и равна среднегодовой температуре района,
носит название слоя постоянных температур. Глубина проникновения сезонных и суточных колебаний температуры определяется их диапазоном,
теплопроводностью пород и обычно не превышает нескольких десятков
метров.
28
Значительно глубже (на несколько сот метров) проникают климатические изменения температуры. Они приводят к медленным изменениям
среднегодовой температуры, затрагивают значительный объём пород и являются в частности причиной образования многолетней мерзлоты.
Изучение теплового поля Земли очень важно, так как распределение
тепла во многом определяет энергетический уровень и характер геологических процессов на поверхности Земли и в её недрах. Действительно, климатические, сезонные и суточные изменения температуры существенно
влияют на характер и интенсивность экзогенных геологических процессов
на поверхности Земли: выветривание пород, перенос обломков, осадконакопление.
Особого внимания заслуживает изучение глубинных источников теплового поля Земли. Дело в том, что глубинное тепло нашей планеты связано с
источниками её внутренней энергии, проявляющейся в виде извержения
вулканов, землетрясений, движений земной коры и т. д. Таким образом,
глубинное тепловое поле Земли может служить своеобразным индикатором интенсивности эндогенных геологических процессов.
Границей влияния поверхностных и глубинных факторов теплового
поля является слой постоянных температур. В результате многочисленных измерений в глубоких шахтах и буровых скважинах ниже слоя постоянных температур установлено повсеместное возрастание температуры с глубиной. Однако различные районы Земли характеризуются разной скоростью увеличения температуры. Эта скорость измеряется величиной геотермического градиента. Геотермический градиент – величина, на которую повышается температура с увеличением глубины недр.
В среднем на каждые 100 м температура в недрах Земли возрастает на 3 °С.
При сверхглубоком бурении на Кольском полуострове обнаружено, что
геотермический градиент первоначально увеличивается на 1 °С в верхних горизонтах, до 2,5 °С на глубине 5 км, а затем уменьшается до 1,6 °С
на глубине 11 км. Исследования Уральской сверхглубокой скважины
29
СГ-4 в интервале 0-5,3 км установили низкие значения теплового потока, отвечающие геотермическому градиенту 1,5 градуса на 100 м.
Другим параметром, которым измеряют скорость нарастания температуры с глубиной, является геотермическая ступень. Геотермическая ступень является величиной, обратной геотермическому градиенту. Физический смысл геотермической ступени – глубина, при погружении на которую температура недр повышается на 1 °С.
В качестве средних для верхней части разреза земной коры приняты
значения геотермического градиента 3 град\100 м, геотермической ступени 33 м\град. Это значит, что при углублении на каждые 33 м температура недр в среднем повышается на 1 °С. Однако эта величина не постоянна
не только по площади, но и по глубине. С глубиной скорость увеличения
температуры и значения геотермического градиента убывают, а геотермической ступени -растут.
Несмотря на значительные вариации теплового потока в пределах океанического дна и суши, его средние значения на земной поверхности близки
и составляют соответственно 5,6 и 5,8×10-2 Вт/м-с. И хотя значение теплового потока из недр Земли намного меньше излучения Солнца, в масштабе
планеты тепловой поток приводит к выделению значительного количества
тепла – около 1021 Дж/год.
Проблема происхождения глубинного теплового поля Земли, достаточно сложная сама по себе, тесно смыкается с другими, не решенными до
конца проблемами происхождения Земли. На основе имеющихся сведений
о строении Земли и ее предполагаемом составе можно считать, что энергетический баланс Земли слагается, в порядке убывания, из тепла гравитационной дифференциации, остаточного тепла аккреции Земли, радиогенного
тепла, приливного тепла, механической энергии гравитации, включая проявления гравитационной неустойчивости в мантии и коре. Изучение теплового поля Земли имеет не только научное, но и практическое значение.
Изучение температурного режима недр необходимо пpи сооружении шахт,
бурении и исследовании глубоких скважин.
30
Температура недр – один из основных факторов, контролирующих образование скоплений многих полезных ископаемых. Важной отраслью
практического применения теплового поля Земли является электроэнергетика, использующая в качестве источника тепла горячие подземные воды.
2.4. Внутреннее строение Земли
Изучение внутреннего строения Земли производится различными методами. Геологические методы, основанные на изучении естественных обнажений горных пород, разрезов шахт и рудников, керна глубоких буровых
скважин, дают возможность судить о строении приповерхностной части
земной коры. Глубинное внутреннее строение Земли изучается главным образом геофизическими методами: сейсмическими, гравиметрическими,
магнитометрическими и др. Одним из важнейших методов является сейсмический, основанный на изучении скорости распространения упругих
волн, вызванных естественными и «искусственными» землетрясениями.
Рис. 4. Внутреннее строение Земли (модель Гутенберга – Буллена)
31
На основании скорости распространения сейсмических волн австралийский сейсмолог К. Буллен разделил Землю на ряд зон, дал им буквенные обозначения в определённых усреднённых интервалах глубин, которые
используются с некоторыми уточнениями до настоящего времени (рис.4).
Выделяются три главные области Земли:
1. Земная кора (слой А) – верхняя оболочка Земли, мощность которой
из меняется от 6-7 км под глубокими частями океанов до 35-40 км под равнинными платформенными территориями континентов, до 50-75 км под
горными сооружениями (наибольшие под Гималаями и Андами).
2. Мантия Земли, распространяющаяся до глубин 2900 км. В её пределах по сейсмическим данным выделяются: верхняя мантия – слой В
глубиной до 400 км и С – до 800 – 1000 км (некоторые исследователи слой
С называют средней мантией); нижняя мантия – слой D до глубины 2900
с переходным слоем – от 2700 до 2900 км.
3. Ядро Земли, подразделяемое на внешнее ядро – слой Е в пределах
глубин 2900 – 4980 км; переходную оболочку – слой F – от 4980 – 5120 км;
и внутреннее ядро – слой G – до 6971 км.
По имеющимся данным выделены несколько разделов первого порядка, в которых скорость сейсмических волн резко изменяется (табл. 2).
Таблица 2
Данные о сейсмических разделах 1-го порядка
Скорость сейсмических
волн, км\с
Р-волны
S-волны
Мощность,
км
Глубина
раздела, км
Объём,
%
Земная кора
5-75
Изменчива
1,5
6,5-7(7,4)
3,7-3,8
Раздел Мохоровичича
7,9-8,2
4,5-4,7
Мантия Граница
ядра
2860
2900
82,3
Внешнее ядро
2220
5120
15,4
13,6
7,2-7,3
Раздел Гутенберга 8,1
Нет
10,4
Внутреннее ядро
12,50
6371
0,8
11,3
Слои
32
Как видно из данных таблицы, земная кора отделяется от слоя В верхней мантии достаточно резкой граничной скоростью. В 1909 г. югославский сейсмолог А. Мохоровичич при изучении балканских землетрясений
впервые установил наличие этого раздела, носящего теперь его имя и принятого за нижнюю границу земной коры. Часто эту границу сокращённо называют границей Мохо, или М. Второй резкий раздел совпадает с переходом от нижней мантии к внешнему ядру, где наблюдается скачкообразное
падение скорости продольных волн с 13,6 до 8,1 км\с, а поперечные волны
гасятся. Внезапное резкое уменьшение скорости продольных волн и исчезновение поперечных волн во внешнем ядре свидетельствуют о необычайном состоянии вещества, отличающегося от твёрдой мантии. Эта граница
названа именем Б. Гутенберга. Третий раздел совпадает с основанием слоя
F и внутренним ядром Земли (слой G).
Земная кора – это верхняя каменная оболочка Земли, сложенная
магматическими, метаморфическими и осадочными породами. Она
представляет собой наиболее активный слой твердой Земли – сферу деятельности магматических и тектонических процессов. Нижняя граница
земной коры как бы зеркально повторяет поверхность Земли. Под материками она глубоко опускается в мантию, под океанами приближается
к поверхности Земли.
Мантия Земли является самым крупным элементом Земли – она
занимает 83 % ее объема и составляет около 66 % ее массы.
Верхняя мантия характеризуется резким нарастанием скорости
распространения сейсмических волн с глубиной. Выделяется два слоя:
В (35-420 км), C (420-1000 км). Внутри слоя В, с глубин 80-100 км под материками и 50-70 км под океанами и до глубин 250-300 км, выделяется
слой пониженной вязкости, который носит название астеносферы. Астеносфера выделяется по геофизическим данным как слой пониженной
скорости, поперечных сейсмических волн и повышенной электропроводности. Повышенная вязкость астеносферы обусловлена, по-видимому,
высокой температурой, приводящей, как полагают, к частичному вы33
плавлению базальтовой магмы. Астеносфера играет важную роль в эндогенных процессах, протекающих в земной коре.
Земная кора вместе с твёрдой частью слоя Гутенберга образует единый жесткий слой, лежащий на астеносфере, который называется литосферой. По существу литосфера является своеобразной геосферой, отделённой от остальной части мантии активным поясом астеносферы.
Слой С характеризуется весьма резким нарастанием скорости прохождения сейсмических волн с глубиной и является более гомогенной
средой, чем слой В.
Земная кора и верхняя мантия включая астеносферу, представляют
собой тектоносферу – область Земли, где происходят тектонические
явления.
Нижняя мантия состоит из двух слоев: D1 (950-2700 км) и D2
(2700-2900 км). Верхний слой характеризуется дальнейшим увеличением скорости распространения сейсмических волн. Полагают, что равномерное нарастание скорости с глубиной обусловлено в основном ростом
давления и свидетельствует об относительно однородном строении нижней мантии. В слое D2 отмечается некоторое снижение скорости волн,
что, вероятно, является следствием изменений, обусловленных переходом к внешнему ядру Земли. Нижняя мантия находится в твердом состоянии, а изменение температуры в подошве мантии колеблется в пределах 1000-5000 °С.
К. Е. Буллен на основании скоростного разреза Г. Джеффриса разделил ядро на три зоны: слой Е (2900-4980 км) – внешнее ядро, слой F
(4980-5120 км) – переходная зона, слой G (5120-6370 км) – внутреннее
ядро. Зона F не имеет четких границ, так как сама является граничной
между слоями Е и G, однако вслед за К. Е. Булленом она выделяется
многими специалистами. Вопрос о составе ядра, о его свойствах остается
дискуссионным. Внешнее ядро, по-видимому, является относительно
пластичным, а внутреннее ядро – твердым. Состав ядра рассматривается
как железо-никелевый, предположительно с примесью кремния и серы.
34
Считается, что три его зоны по составу близки, хотя полного совпадения
теоретически ожидать нельзя. Температура субъядра Земли достигает
3000-6000 °С.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие планеты входят в состав Солнечной системы?
2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?
3. Каковы форма и размеры Земли?
4. Каковы масса и плотность Земли?
5. С чем связаны магнитные аномалии?
6. В чем сущность палеомагнетизма?
7. Что такое слой постоянной температуры?
8. Что такое геотермический градиент и геотермическая ступень?
9. Каково внутреннее строение Земли?
35
Глава 3
ВЕЩЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Земную кору – верхнюю твердую оболочку Земли – слагают горные породы (магматические, осадочные и метаморфические), состоящие
из определенного сочетания минералов, в состав которых входят различные химические элементы. Изучая такую иерархию: химические элементы – минералы – горные породы, – можно судить о строении земной
коры в различных структурных зонах.
3.1. Химический состав земной коры
Вычисления среднего химического состава земной коры проводились многими исследователями как за рубежом (Ф. Кларк, Г. С. Вашингтон, В. М. Гольдшмидт, Ф. Тейлор, В. Мейсон и др.), так и в Советском
Союзе (В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов, А. А. Ярошевский и др.).
Восемь элементов – О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg – составляют почти 99 %
всей массы коры. Из них кислород является преобладающим. Как впервые
отметил В. М. Гольдшмидт, это преобладание ещё более эффектно, если
эти цифры пересчитать на атомные и объёмные проценты (табл. 3).
Таблица 3
Наиболее распространённые химические элементы в земной коре
(Мейсон, 1971)
Элемент
Вес, %
Атом, %
Ионный радиус, А
Объём, %
О
Si
Аl
Fe
Мg
Са
Na
К
46,60
27,72
8,13
5,00
2,09
3,63
2,83
2,59
62,55
21,22
6,47
1,92
1,84
1,94
2,64
1,42
1,40
0,42
0,51
0,74
0
.0,99
0;97
1,33
93,77
0,86
0,47
0,43
0,66
1,03
1,32
1,83
36
Земная кора состоит в основном из кислородных соединений, в особенности из силикатов алюминия, кальция, магния, натрия, калия и железа. Если же пересчитать на объёмы различных атомов или ионов, то
кислород составит более 90 % общего объёма (см. табл. 3).
Таким образом, кора Земли по существу является упаковкой анионов кислорода, связанных друг с другом кремнием и ионами обычных
металлов. Как отметил В. М. Гольдшмидт, литосфера может быть названа оксисферой, или кислородной оболочкой Земли.
3.2. Минералы
Подавляющие большинство химических элементов образуют в земной коре простые или сложные соединения (исключения составляют
инертные газы и некоторые самородные элементы). Химические соединения, образовавшиеся в земной коре в результате природных процессов
и обладающие определенными химическим составом и физическими
свойствами, называются минералами. Ушедшие тысячелетия оставили
нам около 4000 минеральных видов, а вместе с важнейшими разновидностями минеральный фонд земной коры приближается к 6000.
Любой минерал обладает вполне определённым химическим составом и вполне определённой кристаллической структурой, т. е. закономерным расположением в пространстве элементарных частиц (молекул,
атомов, ионов).
Например, минерал галит (каменная соль) состоит из 39,4 % Na
и 60,6 % С1 и имеет химическую формулу NaCl. Кристаллическая структура галита характеризуется поочерёдным расположением ионов Na+ и
Сl в углах кубов, где каждый ион хлора окружен шестью ионами натрия.
В зависимости от особенностей химического состава и кристаллической структуры минералы образуют многогранники различной формы,
называемые кристаллами. Эти же характеристики минералов (химиче-
37
ский состав и кристаллическая структура) обусловливают все физические свойства, такие как цвет, блеск, твёрдость и т. д.
Иногда минералы имеют неупорядоченное строение, когда атомы
и ионы, их составляющие, располагаются беспорядочно, хаотично. Минералы с таким строением называются аморфными.
Формы нахождения минералов. В природе минералы могут встречаться либо в виде отдельных, хорошо образованных кристаллов, либо
в виде скоплений неправильной формы зёрен.
Облик кристаллов. Исходя из того, что любое тело в пространстве
имеет три измерения, можно выделить три основные формы кристаллов.
Изометричные формы – кристаллы
а
б
одинаково развиты во всех трёх направлениях. Примером могут служить
кубы пирита, октаэдры магнетита (рис.
5) и т. д. Уплощённые формы – кристаллы развиты в двух направлениях.
Рис. 5. Изометричные формы
К ним относятся таблитчатые, плакристаллов:
а – кубический кристалл пирита;
стинчатые, листоватые и чешуйчатые
б – октаэдрический кристалл
кристаллы (рис. 6). Удлинённые формагнетита
мы – кристаллы развиты в одном направлении. К этой группе относятся призматические, столбчатые, шестоватые, игольчатые и волосовидные кристаллы (рис. 7).
а
б
Рис. 6. Уплощенные формы кристаллов:
а – таблитчатый кристалл гематита; б – пластинчатый кристалл мусковита
Минеральные агрегаты. Чаще минералы в природе встречаются
в виде скоплений различной формы зёрен. Эти скопления называются
минеральными агрегатами. Агрегаты бывают мономинеральными, т. е.
38
состоящими из зёрен одного минерала, и полиминеральными, сложенными несколькими различными минералами. Выделяют несколько видов
минеральных агрегатов.
а
в
б
г
д
Рис. 7. Удлиненные формы кристаллов:
а – полевого шпата; б – роговой обманки; в – апатита; г – кварца; д – корунда
Зернистые агрегаты представляют собой скопления сросшихся
зёрен самой разнообразной формы. Этот тип агрегатов пользуется наибольшим распространением в земной коре.
Землистые агрегаты характерны для порошковатых рыхлых минералов. Такие агрегаты обычно пачкают руки, легко распадаются на мелкие комочки, состоящие из мельчайших частиц. Примером может служить минерал каолинит.
Натечные образования возникают в пустотах при медленном испарении или охлаждении поступающих туда растворов. Эти образования
имеют различную форму: почковидную, гроздьевидную, неправильную,
цилиндрическую. Натёки, свисающие в виде сосулек со сводов пустот,
называются сталактитами, а поднимающиеся им навстречу со дна пустот, – сталагмитами. Характерным примером натечных образований является минерал лимонит.
Друзы – это незакономерные сростки более или менее хорошо образованных кристаллов, наросших на стенках каких-либо пустот. Примером могут служить довольно часто встречающиеся друзы кристаллов
кварца или пирита.
Физические свойства минералов. Минералы отличаются друг от друга по многим внешним признакам: цвету, блеску, твёрдости, форме и дру39
гим свойствам. Все физические свойства минералов находятся в прямой
зависимости от их химического состава и кристаллической структуры, поэтому каждый минерал характеризуется своим набором физических
свойств, позволяющих диагностировать (определять) минералы.
Классификация минералов. Существует несколько классификаций
минералов, в основу каждой из которых положены различные признаки.
Наиболее общепризнанной является кристаллохимическая классификация, в основу которой положен химический состав и кристаллическая
структура минералов. Ниже приводится упрощенная классификация минералов:
1 класс – самородные элементы
2 класс – сульфиды
3 класс – галогениды
4 класс – оксиды и гидрооксиды
5 класс – карбонаты
6 класс – сульфаты
7 класс – фосфаты
8 класс – силикаты
Самородные элементы – элементы в свободном состоянии. К ним
относятся металлы: золото (Аu), серебро (Ag), медь (Сu), и др.; полуметаллы: мышьяк (As), висмут (Bi); неметаллы: графит (С), сера (S) и др.
Сульфиды – соли сероводородной кислоты. Наиболее характерными
признаками, свойственными большинству сульфидов, являются сильный
металлический блеск и высокий удельный вес. Например, пирит (FeS2),
халькопирит (CuFeS2), галенит (PbS).
Галогены – соли соляной кислоты (НС1) (хлориды) и соли плавиковой кислоты (HF) (фториды). Для них характерны низкая твёрдость
(2-4), прозрачность и совершенная спайность. К этому классу относятся
галит (NaCl), сильвин (КС1), флюорит (CaF2).
Оксиды и гидроксиды – соединения металлов и неметаллов с кислородом и водой (Н2О). Для окислов характерна прочность кристалли40
ческой решётки, чем обусловлена их высокая твёрдость (5-9). К этому
классу относятся корунд (Аl2Оз), кварц (SiO2), опал (SiO2 ⋅ Н2О) и минералы группы железа: магнетит (Fe3О4), гематит (Fe2О3) и лимонит (Fe2О3 ⋅
nH2О).
Карбонаты – соли угольной кислоты (Н2СО3). Большая часть карбонатов бесцветна; твёрдость невысокая (3); характерна совершенная
спайность по ромбоэдру и эффект двойного лучепреломления, К этому
классу относятся кальцит (СаСОз), доломит (СаMg(СО3)2), магнезит
(MgCO3).
Сульфаты – соли серной кислоты (H2SO4). В технике их называют
купоросами. Для минералов этого класса характерны низкая твёрдость
(2-3,5), разнообразная окраска. К ним относятся гипс (CaSO4 2H2O)
и ангидрит (CaSO4 ), медный купорос (CuSO4 ) и железный купорос
(FeSO4).
Фосфаты – соли ортофосфорной кислоты (Н3РО4). Характерна средняя твёрдость (5) и светлая окраска. Минерал апатит (Са5 [РО4]3 (F,С1)).
Силикаты – самая обширная группа породообразующих минералов,
содержащих кремнезём. Основой кристаллической решетки силикатов
является скелет из кремнекислородных тетраэдров [SiO4]4-. Кремнекислородные тетраэдры в структурах силикатов могут находиться либо в виде
изолированных друг от друга структурных единиц [SiO4], либо могут сочленяться друг с другом разными способами. В зависимости от способа
сочленения кремнекислородных тетраэдров выделяются следующие
подклассы: островные, цепочечные, ленточные, листовые, каркасные.
К островным силикатам с изолированными тетраэдрами относится
оливин. Для минералов этого подкласса характерны повышенные твёрдость и удельный вес, изометричные формы кристаллов.
К цепотечным силикатам с одинарными цепочками тетраэдров
относятся пироксены.
К ленточным силикатам со сдвоенной цепочкой тетраэдров относится роговая обманка; несмотря на существенное различие в количест41
венных компонентах, цепочечные и ленточные силикаты имеют много
общих свойств: удлинённую форму кристаллов, среднюю спайность
в двух направлениях, твёрдость 5-6, тёмную окраску.
Слоистые силикаты с непрерывными слоями кремнекислородных
тетраэдров представлены слюдами (биотитом, мусковитом), хлоритом,
тальком, каолинитом, серпентином; в прямой зависимости от кристаллической структуры находится характернейшее свойство этих силикатов –
весьма совершенная спайность, а также псевдогексагональная форма
кристаллов.
Каркасные силикаты представляют собой почти исключительно
алюмосиликаты, в которых часть ионов Si в кремнекислородных тетраэдрах замещены на ионы А1; для этих силикатов характерна светлая окраска и твёрдость 5-7; кроме полевых шпатов к этому подклассу по строению кристаллической решетки относится также и кварц (SiO2), хотя по
химическому составу этот минерал является окислом.
3.3. Горные породы
Горные породы слагают ту материальную среду, которую называют
земной корой. Горными породами называются устойчивые парагенетические ассоциации минералов, возникающие в результате определённых
геологических процессов и образующие геологически самостоятельные
тела в земной коре. Термин «горные породы» впервые ввёл в геологическую литературу русский геолог В. В. Севергин (1798). Науки, изучающие горные породы: петрография, литология, петрофизика и физика
горных пород.
Традиционно под горными породами подразумеваются только
твёрдые тела, в широком применении к горным породам относят также
воду, нефть и природные газы.
Состав, строение и условия залегания горных пород находятся
в причинной зависимости от формирующих их геологических процессов.
42
Горные породы могут слагаться как одним минералом, так и их комплексом. Минералы, входящие в состав горной породы и определяющие
её состав и свойства, называются породообразующими. Каждый из породообразующих минералов составляет всегда более 5 % объема породы,
а в сумме не менее 95 %; второстепенные минералы слагают в сумме до
5 % объёма горной породы. В природе известно более 6000 минералов,
однако число породообразующих минералов не превышает 100.
Если горные породы состоят из одного минерала (кварцит, известняк, каменная соль), они называются мономинеральными, если же из
нескольких, – полиминеральными (гравий, глина).
Все горные породы обладают комплексом морфологических особенностей, которые объединяют в понятия «структура» и «текстура».
Наряду с химическим и минеральным составом структура и текстура являются важнейшими диагностическими признаками горных пород.
Под структурой понимают внутреннее строение породы, совокупность признаков, обусловленную степенью кристалличности, абсолютными и относительными размерами, формой, взаимным расположением
и способами сочетания минеральных составляющих.
Под текстурой понимают особенности внешнего строения горной
породы, обусловленные ориентировкой, относительным расположением
и способом выполнения пространства минеральными массами, характеризующими степень её однородности и сплошности.
По происхождению горные породы подразделяют на три класса:
осадочные, магматические и метаморфические.
Осадочные горные породы образуются только на поверхности земной коры при разрушении любых, ранее существовавших горных пород,
в результате жизнедеятельности и отмирания организмов и выпадения
осадков из пересыщенных растворов.
Магматические горные породы возникают путём кристаллизации
природных силикатных расплавов внутри земной коры или на её поверхности.
43
Метаморфические горные породы возникают путём коренного преобразования магматических, осадочных и ранее существовавших метаморфических пород под влиянием высоких температур, давления и химически активных растворов.
Магматические и метаморфические горные породы слагают около
90 % объёма земной коры, остальные 10 % приходятся на долю осадочных, которые занимают около 75 % площади земной поверхности.
З.4. Строение земной коры
Строение земной коры рассматривается отдельно по той причине, что
эта геосфера является основным объектом геологии и средой горного
производства.
Земная кора – это верхняя каменная оболочка Земли, сложенная
магматическими, метаморфическими и осадочными породами и имеющая мощность от 7 до 75 км. Она представляет собой наиболее активный слой твёрдой Земли – сферу деятельности магматических и тектонических процессов. Нижняя граница земной коры как бы зеркально
повторяет поверхность Земли. Под материками она глубоко опускается
в мантию, под океанами приближается к поверхности Земли.
Термин «земная кора» появился в XVIII веке в работах М. В. Ломоносова и в XIX веке в трудах английского учёного Ч. Лайеля.
В целом для земной коры характерны вертикальная и горизонтальная
неоднородности, которые отражают различный характер её эволюции
в различных частях планеты. Значительная часть земной коры находится
в состоянии изостатического равновесия, которое в случае нарушения
достаточно быстро (~104 лет) восстанавливается благодаря наличию
астеносферы.
Выделяют два главных типа земной коры: континентальную и океаническую (рис. 8).
44
Рис. 8. Земная кора:
1 – вода; 2 – осадочный слой; 3 – гранитный слой; 4 – базальтовый слой
континентальной коры; 5 – 2-й слой океанической коры; 6 – 3-й слой океанической коры;
7 – вулканические острова; 8 – аномальная мантия; 9 – мантия; 10 – предполагаемое
положение границ; 11 – установленное положение границ
Мощность континентальной коры в зависимости от тектонических
условий меняется в среднем от 25-45 (на платформах) до 45-75 км
(в областях горообразования), однако в пределах каждой геоструктурной области она не остаётся строго постоянной. В континентальной
коре различают осадочный (Vp – до 4,5 км\с), гранитный (Vp – 5,16,4 км\с) и базальтовый (Vp – 6,1-7,4 км\с) слои.
Мощность осадочного слоя достигает 20 км, но распространён он
не повсеместно. Названия гранитного и базальтового слоев условны
и исторически связаны с выделением разделяющей их границы Конрада
(Vp – 6,2 км\с), хотя последующие исследования показали некоторую
сомнительность этой границы.
Основное отличие океанической коры от континентальной – отсутствие гранитного слоя, существенно меньшая мощность (2-10 км), более молодой возраст (юра, мел, кайнозой), большая латеральная однородность. Океаническая кора состоит из трёх слоев. Первый слой, или
осадочный, характеризуется широким диапазоном скоростей (Vp – от 1,6
до 5,4 км\с) и мощностью до 2 км. Второй слой, или акустический фун45
дамент, имеет среднюю мощность 1,2-1,8 км и Vp – 5,1-5,5 км\с. Глубоководным бурением установлено, что этот слой сложен сильно трещиноватыми и брекчированными базальтами, которые с увеличением возраста океанической коры становятся более консолидированными. Третий слой океанической коры имеет достаточно близкие значения Vp и
мощности, что указывает на его однородность. Предполагается, что
этот слой сложен породами в основном габброидного состава.
Кроме двух главных типов земной коры выделяются подтипы на основе соотношения толщины отдельных слоев и суммарной мощности
(например, кора переходного типа – субконтинентальная в островных
дугах и субокеаническая на континентальных окраинах и т. д.).
Участки земной коры, различающиеся типом геологического строения, называются структурными элементами. С точки зрения закономерностей пространственного строения земной коры океаны и континенты – это структуры I (планетарного) порядка. В пределах структурных
элементов I порядка по особенностям геологического строения и развития выделяются структуры II порядка: на материках – платформы и геосинклинальные пояса, на океанической коре – талассократоны и срединно-океанические хребты.
Платформы (фр. «плат» – плоский, «форм» – форма) – это обширные тектонически устойчивые области. Они характеризуются средними
и устойчивыми значениями мощности земной коры, горизонтальным
или почти горизонтальным залеганием осадочных пород, равнинным
рельефом. Платформы имеют двухъярусное строение и состоят из более
древнего кристаллического фундамента и перекрывающего его осадочного чехла, например Русская и Сибирская платформы.
Области платформ с двухъярусным строением называют плитами.
Выходы фундамента на дневную поверхность называются щитами. Таковы, например, Балтийский и Украинский щиты на Русской платформе, Анабарский и Алданский щиты на Сибирской платформе.
46
Геосинклинальные пояса (греч. «гео» – земля, «син» – вместе,
«клин» – наклон) – один из типов подвижных поясов Земли, возникающий на границах крупных литосферных плит (океанических и континентальных) или в результате рифтообразования и расщепления континентальных плит. Длительно служит местом интенсивного накопления осадочных и вулканических толщ в морских, часто глубоководных, затем
островодужных и мелководных условиях. В конечном счёте геосинклинальные пояса испытывают интенсивные тектонические деформации.
В геоморфологическом плане геосинклинальные пояса представлены горноскладчатыми образованиями, такими как Урал, Кавказ, Памир и др.
Талассократоны (греч. «таласса» – море, «кратос» – сила) – океанические платформы, занимают не менее 60 % площади дна океанов.
Талассократоны ограничены континентальными склонами и глубоководными желобами, с одной стороны, и срединно-океаническими хребтами – с другой. В этих границах они состоят из плоских абиссальных
равнин, разделённых сводово-глыбовыми поднятиями на обособленные
котловины. В геологическом строении талассократонов участвуют морские осадки небольшой мощности, которые ниже сменяются более плотными осадочными породами (глинами, известняками) и вулканогенными образованиями. В основании океанических платформ залегает базальтовый слой.
Срединно-океанические хребты – подводные поднятия ложа океанов в зонах активного разрыва литосферных плит и новообразования
океанической коры. Они имеют планетарный характер распространения и
образуют мобильный пояс протяженностью более 80 тыс. км. Вдоль осей
хребтов, возвышающихся на 1-4 км при ширине от 80 до 200 км, тянутся
цепи узких и глубоких грабенов, окаймлённых горными кряжами и желобами с отвесными склонами. Это так называемые рифтовые зоны.
Срединные хребты сложены главным образом магматическими породами основного и ультраосновного состава, в разной степени метаморфизованными. Тонкий осадочный покров увеличивается по мощно47
сти в направлении от осевых зон к подножию. В этом направлении увеличивается и возраст отложений. Почти всюду осадочные покровы подстилаются молодыми базальтами.
Для всего пояса срединных океанических хребтов характерна высокая сейсмичность с неглубокими очагами землетрясений. Сейсмическими исследованиями установлено, что мантия под рифтовыми зонами
вздута и разуплотнена в пределах полосы шириной 400-800 км.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие основные химические элементы участвуют в строении земной
коры?
2. Что такое минералы и какие физические свойства для них характерны?
3. Назовите принципы классификации минералов.
4. Что такое горные породы и чем они отличаются одна от другой?
5. Каково строение континентальной земной коры?
6. Каково строение океанической земной коры?
7. В чем отличие в строении платформ и геосинклиналей?
8. Что понимается под подвижными поясами?
48
Глава 4
ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ
4.1. Общие сведения о геологических процессах
Под воздействием внутренних, или эндогенных, и внешних, или экзогенных, сил земная кора испытывает постоянные изменения, которые
называются геологическими процессами. Соответственно различают
эндогенные и экзогенные процессы.
Эндогенные процессы определяются глубинными источниками
энергии. В результате на поверхности Земли образуются горные хребты
и впадины, в земной коре возникают магматические очаги, происходят
вулканические извержения, землетрясения. Эндогенные процессы характеризуются сложностью и большим разнообразием.
Экзогенные процессы развиваются на поверхности Земли за счёт
энергии Солнца, и их интенсивность связана с активностью атмосферных явлений, геологической деятельностью поверхностных и подземных
вод, озер, ледников, морей и океанов.
Сформировавшийся под воздействием эндогенных процессов рельеф молодых горных областей подвергается воздействию экзогенных сил,
направленных на сглаживание, выравнивание рельефа. Таким образом,
эндогенные и экзогенные процессы развиваются одновременно, связанно и взаимно обусловленно. В этом проявляется диалектический закон
единства и борьбы противоположностей в развитии земной коры.
К эндогенным процессам относятся тектонические движения, магматизм и метаморфизм. Все эндогенные процессы взаимосвязаны. С одной стороны, тектонические процессы, сопровождающиеся разрывами
сплошности земной коры, образованием глубинных разломов, способствуют подъему из недр Земли активных интрателлурических - внутриземных растворов, которые, в свою очередь, являются непосредственной
причиной метаморфизма и магматизма. С другой стороны, метаморфи49
ческие и магматические процессы вызывают разуплотнение пород, что
приводит к нарушению гравитационного равновесия в земной коре, а
восстановление последнего невозможно без участия тектонических
движений.
4.2. Тектонические движения
Совокупность тектонических движений и деформаций, под воздействием которых формируются геологические структуры, называется
тектоническими процессами, или тектогенезом. Тектонические движения – механические перемещения масс горных пород различного масштаба, сопровождающиеся изменениями их залегания и строения, а
также связанными с этими изменениями деформациями (дислокациями).
Тектоническим движениям принадлежит ведущая роль в развитии всех
геологических процессов, так как они обусловливают перераспределение и трансформацию внутренней энергии Земли, влияют на изменение
давления, интенсификацию теплопотока и т. д.
Упрощенно в зависимости от интенсивности, преимущественной
направленности и геологических результатов тектонические движения
можно разделить на две основные группы – колебательные и дислокационные. Следует подчеркнуть, что все типы тектонических движений
теснейшим образом связаны между собой и с наибольшей полнотой
проявляются в подвижных зонах земной коры.
4.2.1. Колебательные тектонические движения
Медленные вертикальные движения земной коры выражаются в
очень медленных поднятиях или опусканиях обширных участков земной
коры (как материка, так и морского дна) без заметного нарушения первичного залегания пластов горных пород. Вызываются они внутренними
силами Земли. Эти движения происходят чаще со скоростью не более
50
нескольких миллиметров в год, реже – с заметно большей скоростью.
Такие движения называют еще вековыми, так как они отчетливо проявляются только по истечении сотен и тысяч лет. При очень длительном
проявлении таких движений в одном и том же направлении обширные
участки земной коры могут подняться или опуститься на сотни и даже
тысячи метров. Медленные вертикальные движения часто называют
эпейрогеническими, они являются одной из причин формирования материковой суши. В зависимости от знака движения (положительного –
вверх, отрицательного – вниз) может возникнуть не только суша, но
и море (с опусканием материков море наступает на сушу). Так что медленные вертикальные движения в равной мере порождают и сушу, и море. В результате медленных колебательных движений происходит либо
наступление моря на сушу – трансгрессия моря, либо отступление –
регрессия моря.
Давно установлено, что на протяжении нескольких веков медленно
и неуклонно поднимается территория Скандинавского полуострова.
Скорость поднятия отдельных участков побережья Скандинавии составляет от 1 до 12 мм в год. В результате поднятия морского побережья
и связанного с этим отступления моря г. Стокгольм несколько раз переносили в сторону берега, чтобы сохранить его в качестве порта на Балтийском море. Если рассматривать положительные движения Скандинавского полуострова за более длительный срок, исчисляемый многими
тысячелетиями, то поднятие центральной его части над современным
уровнем моря составляет около 200 м, что подтверждается наличием на
этой высоте следов древней береговой линии.
Нидерландское и бельгийское побережья Северного моря, наоборот,
являют собой пример длительного продолжающегося медленного погружения, вследствие чего население этих стран вынуждено ограждать
дамбами свои приморские районы от затопления, постоянно их укреплять и наращивать. Отдельные участки этих освоенных под заселение
51
и сельское хозяйство земель располагаются на несколько метров ниже
уровня Северного моря.
Современные медленные опускания суши происходят в Ла-Манше,
на побережье Черного моря, на восточных берегах Северной Америки,
на отдельных участках побережья Северного Ледовитого океана и т. д.
Для современной эпохи наибольшее опускание отмечено в Атлантическом океане близ устья р. Конго (Африка).
Наибольшие поднятия выявлены на Аляске, где на горе Святого
Ильи раковины морских моллюсков, сходных с современными, обнаружены на высоте до 1500 м над уровнем моря.
На территории европейской части России поднятия испытывает
Среднерусская возвышенность (со скоростью 5-9 мм в год), а медленные
опускания происходят в Тамбовской низине, в районе Москвы.
Колебательные движения проявляются повсеместно; опускание в
одном месте сопровождается поднятием в другом. Кроме того, колебательные движения являются обратимыми, т. е. раньше или позже поднятие сменяется опусканием, и наоборот.
4.2.2. Дислокационные тектонические движения
Вторую важнейшую группу тектонических движений образуют дислокационные (лат. «дислокатес» – смещение) движения, которые подразделяются на складко- и разрывообразовательные. По своей направленности они могут быть существенно горизонтальными и существенно
вертикальными, по месту проявления – это в основном внутрикоровые
движения. По особенностям протекания и геологическим результатам
они значительно отличаются от колебательных движений:
1. Дислокационные движения не универсальны ни в пространстве,
ни во времени. В пространстве они приурочены, главным образом,
к тектонически подвижным участкам земной коры – геосинклинальным
зонам. Во времени носят эпизодический характер и связаны с периодами
52
интенсивного тектонического развития того или иного участка земной
коры, обычно чередующимися в геологической истории с периодами относительного покоя.
2. Дислокационные движения необратимы.
3. Амплитуды и скорости дислокационных движений гораздо более
высокие, чем амплитуды и скорости колебательных движений, при этом
смена знака движений происходит на очень небольших расстояниях.
4. Проявляясь, главным образом, в пределах геосинклинальных зон,
дислокационные движения нередко сопровождаются магматизмом и метаморфизмом горных пород, одной из причин которых они сами могут
служить.
5. Главнейшей особенностью дислокационных движений является
то, что они изменяют первичные формы залегания горных пород и создают новые формы залегания, которые называются тектоническими, или
нарушенными. Тектонические нарушения обычно находят свое отражение в рельефе земной поверхности, непосредственно влияя на прочность
и устойчивость инженерных сооружений.
Основные виды тектонических нарушений, являющиеся следствием дислокационных тектонических движений земной коры, описаны
ниже.
4.3. Тектонические нарушения
Горные породы, слагающие земную кору, под воздействием тектонических движений могут изменить свое первоначальное положение.
Поэтому различают два типа залегания горных пород: первоначальное
(ненарушенное) и вторичное (нарушенное).
Наиболее отчетливо нарушение первоначального залегания выявляется в осадочных горных породах. Первоначальное залегание пластов,
или слоев таких пород, обычно горизонтальное.
53
а
б
в
Рис. 9. Условия залегания слоев горных пород:
а – согласное залегание; б – параллельное стратиграфическое несогласие;
в – угловое несогласие
Основная форма залегания осадочных пород – пласт или слой. Поверхность, ограничивающая пласт (слой) сверху, называется кровлей,
а снизу – подошвой. Толщина пласта составляет его мощность. Пласты
осадочных пород могут иметь согласное и несогласное залегания; в первом случае пласты в разрезе постепенно сменяют друг друга, во втором –
между ними отмечается перерыв в осадконакоплении. Несогласное залегание может быть параллельным, когда пласты, несмотря на наличие
резкого перерыва в их отложении, сохраняют параллельное залегание,
и угловым, когда одна толща пластов нарушена, а вторая толща лежит
на ней с перерывом под определенным углом (рис. 9). Под воздействием
тектонических движений эти пласты подвергаются пластическим или же
разрывным деформациям (нарушениям) и приобретают при этом формы
нарушенного залегания.
4.3.1. Складчатые (пликативные) нарушения
Складчатые, или пликативные («пликанус» – складчатый), нарушения выражаются в волнообразном изгибании слоев горных пород без
разрыва их сплошности. Смятие пород в складки обусловлено способностью твёрдых тел к пластическим деформациям. Эта способность
значительно
увеличивается
при
возрастании
температуры,
всестороннего давления, длительности действия нагрузки.
54
Среди пликативных дислокаций выделяют моноклинали и складки. Если пластические деформации горизонтально залегающих осадочных пород проявились
в виде их одностороннего наклона (без
разрыва сплошности), то такая форма нарушения называется моноклиналью. МоРис. 10. Моноклиналь
ноклиналь – наиболее простая форма пли(блок-диаграмма)
кативных дислокаций (рис. 10). В зависимости от величины угла наклона пластов различают моноклинали слабонаклонные (угол наклона до 15°), пологие (16-30°), сильнонаклонные
(30-75°), поставленные на голову (80-90°).
Флексурами называются структурные формы в
виде уступообразных (коленообразных) изгибов, горизонтально залегающих или наклонных слоистых толщ
(рис. 11). Флексуры обычно образуются в результате
боковых перемещений нижележащих толщ, при этом
мощность пород в зоне смещения сокращена.
Складки являются основной формой пликативных нарушений и представляют собой волнообразРис. 11. Флексура
ные изгибы слоев. В зависимости от направления изгиба различают синклинальные и антиклинальные складки.
В синклинальных складках (синклиналях) изгиб слоев обращен выпуклостью вниз, и они падают навстречу друг другу. В центральных
частях синклиналей залегают более молодые породы, чем в краевых.
В антиклинальных складках (антиклиналях) изгиб слоев обращен
выпуклостью вверх, а их падение направлено в противоположные стороны. Центральные части антиклиналей слагаются более древними породами, чем периферические. Сопряженные между собой синклиналь
и антиклиналь образуют полную складку.
55
В любой складке могут быть выделены геометрические элементы,
с помощью которых описывается ее морфология. Основными геометрическими элементами складок являются: крылья, ядро, замок, шарнир,
угол, осевая поверхность и ось (рис. 12).
Рис. 12. Геометрические элементы складок:
2-3 – замок антиклинали (А); 4-5 – замок синклинали (С);
1-2, 3-4, 5-6 – крылья складок; α – угол складки
Крылья – боковые части складки, где слои наклонены в одну сторону. Замок – место перегиба слоев, где одно крыло переходит в другое.
Ядро – внутренняя часть складки, примыкающая к замку. Шарнир – линия, соединяющая точки максимальных перегибов любого из слоев, образующих складку. Угол складки – угол, образованный мысленно продолженными до их пересечения крыльями складки. Осевая поверхность –
поверхность, проходящая через все шарниры складки, в частном случае
эта поверхность может быть плоскостью. Ось складки – линия пересечения осевой поверхности с горизонтальной плоскостью.
Формы складок очень многообразны, классификация их основана на
различных признаках.
1. По положению осевой плоскости (рис. 13, II) выделяют прямые
(а), наклонные (б), опрокинутые (в), лежачие (г) и перевёрнутые (д)
складки.
56
а
а
II
I
б
б
в
в
г
г
д
д
Рис. 13. Морфологические талы складок
В прямых складках осевая поверхность вертикальна и наклон
крыльев одинаков. Складки называются наклонными (косыми), если
осевая поверхность наклонена и крылья падают под разными углами.
Если наклон осевой поверхности значителен, крылья падают в одну сторону (одно крыло как бы подвёрнуто под другое), возникают опрокинутые складки.
В лежачих складках положение осевой поверхности близко к горизонтальному. Складки, осевая поверхность которых располагается ниже
горизонтальной плоскости, называются перевёрнутыми (ныряющими).
57
В опрокинутых, лежачих и перевёрнутых складках в крыле, расположенном над осевой поверхностью, сохраняется нормальная последовательность слоев (молодые породы располагаются выше древних).
В крыле, расположенном под осевой поверхностью, последовательность
слоев обратная (древние породы лежат на более молодых).
2. По форме замка и соотношению между крыльями (рис. 13, I)
выделяют нормальные (округлые или острые), изоклинальные, веерообразные и сундучные складки.
В нормальных складках замок имеет остроугольную (б) или округлую форму (а). Изоклинальные складки (в) имеют узкий замок и приблизительно параллельные крылья. Для веерообразных складок (д) характерен широкий замок и веерообразно расходящиеся крылья. Сундучные (коробчатые) складки (г) отличаются широким уплощённым замком
и крутыми крыльями.
3. По соотношению основных размеров складок – длины и ширины – различают линейные складки, брахискладки и купола. Линейные
складки имеют в плане узкую сильно вытянутую форму и образуются
при интенсивном смятии горных пород. Их длина значительно превышает ширину. В брахискладках (укороченных складках) длина больше
ширины всего в 2-5 раз. Среди них выделяются брахисинклинали и брахиантиклинали. Куполами называют антиклинальные складки, имеющие в плане изометричные очертания. Их длина может превышать ширину не более чем в 2 раза. Синклинальные аналоги куполов называют
мульдами. Своеобразным видом куполов являются диапировые складки
(купола с ядром протыкания). Они образуются, когда высокопластичные
породы (соли, глины, гипсы) выдавливаются вверх, формируя ядро
складки.
Совокупность складок, проявляющуюся в определённых участках
земной коры, называют складчатостью. Складчатость линейного типа
проявляется обычно в пределах горноскладчатых сооружений и охватывает их целиком. Отдельные антиклинальные и синклинальные складки
58
группируются в более сложные структуры – антиклинории и синклинории (рис. 14).
а
б
Рис. 14. Сложные складчатые структуры:
а – синклинорий; б – антиклинорий
Антиклинории – это крупные, сложно построенные антиклинальные структуры (протяженность их – сотни и даже тысячи километров),
общее строение которых осложнено относительно более мелкими антиклинальными и синклинальными складками.
Синклинории – такие же крупные, сложно построенные, но в целом
синклинальные структуры, осложненные, подобно антиклинориям,
синклинальными и антиклинальными складками. Антиклинории и синклинории образуют горные системы (Альпы, Кавказ, Тянь-Шань, Урал
и многие другие).
4.3.2. Разрывные нарушения (дизъюнктивные дислокации)
Разрывные, или дизъюнктивные (лат. «дизъюнкто» – разделяю),
тектонические нарушения выражаются в нарушении сплошности горных
пород и разрыве их по какой-либо поверхности. Разрывные нарушения
теснейшим образом связаны со складчатыми. Когда напряжения, возникающие в земной коре, превышают предел прочности горных пород,
пластические деформации переходят в хрупкие и образуются разрывные
нарушения.
59
Разрывные нарушения делятся на две группы: разрывы без смещения или с незначительным смещением и разрывы со смещением горных пород.
К первой группе относятся различного рода трещины. Трещинами
называют разрывы в горных породах без перемещения или с очень незначительным перемещением расчленённых блоков. Они встречаются
почти во всех породах, кроме наиболее сыпучих и легко размокаемых,
в которых трещины не могут сохраниться. Совокупность трещин, группирующихся на каком-либо участке земной коры, образует трещиноватостъ, которая характеризуется густотой расположения трещин, числом систем трещин и их взаиморасположением. Трещиноватость пород –
явление, широко распространённое в природе, и нет такого участка земной коры, который не был бы разбит трещинами в той или иной степени.
По происхождению трещины подразделяют на нетектонические
и тектонические.
К нетектоническим относятся, во-первых, петрогенетические, или
первичные, трещины. Петрогенетические трещины образуются при
формировании магматических и осадочных пород в связи с релаксацией
полей механических напряжений, обусловленных остыванием интрузивных тел и лав или диагенезом осадка. Магматические (контракционные) трещины определяют отдельность пород и могут иметь большую
протяженность. В осадочных отложениях в процессе преобразования
осадка в породу (при усыхании, уплотнении, изменении объёма и температуры) развиваются диагенетические трещины, такие как трещины
усыхания, первичной отдельности и др. Эти трещины обычно невелики
по размерам и выходят за пределы отдельных слоев. Другую группу нетектонических трещин составляют вторичные трещины, формирующиеся в поверхностных условиях в результате действия экзогенных
процессов и силы тяжести пород. К ним относятся трещины выветривания, оползневые трещины, трещины в бортах долин рек и оврагов, связанные с оседанием откосов, искусственные трещины, образующиеся
60
при различного рода воздействиях человека на земную кору и в частности в связи с разработкой месторождений полезных ископаемых.
Тектонические трещины образуются в результате действия напряжений, обусловленных тектоническими движениями. Эти трещины
обычно имеют большую протяженность, пересекают напластование осадочных пород и магматические тела, часто к ним приурочена полезная
минерализация. Тектонические трещины обычно группируются в системы, расположение которых отражает характер и направление тектонических напряжений. Например, при растягивающих напряжениях возникают трещины отрыва, часто образующие две взаимно перпендикулярные системы. Трещины отрыва обычно являются открытыми, имеют
неровную поверхность, лишены следов смещений. При сжатии формируются трещины скалывания, пересекающиеся системы которых ориентированы под углом около 45° к оси сжатия. Трещины скалывания характеризуются значительной протяженностью, прямолинейностью,
имеют гладкую поверхность; это закрытые трещины, вдоль которых могут происходить незначительные смещения отдельных блоков.
В разрывах со смещением происходит не только нарушение сплошности горных пород, но и последующее перемещение образовавшихся
блоков по тектонической трещине-сместителю. К этой группе принадлежат такие нарушения, как сбросы, взбросы, сдвиги, надвиги, сложные
разрывные нарушения.
В любом разрывном нарушении со смещением выделяют следующие геометрические элементы: сместитель – поверхность разрыва, по
которой происходит смещение; крылья – примыкающие к этой поверхности смещённые блоки горных пород. При наклонном положении сместителя крыло, расположенное над ним, называют висячим, а под ним –
лежачим.
Важное значение имеет определение амплитуды смещения. Различают наклонную (истиную) амплитуду – расстояние по сместителю между кровлей и почвой одного и того же пласта в висячем и лежачем
61
крыльях; вертикальную и горизонтальную амплитуды – проекции истинной амплитуды соответственно на вертикальную и горизонтальную
плоскости; стратиграфическую амплитуду – расстояние по нормали между кровлей или подошвой одного и того
же пласта в висячем и лежачем крыльях
(рис. 15).
Сбросы представляют собой разрывные нарушения, в которых висячее
крыло опущено, а лежачее приподнято,
сместитедь наклонён в сторону опущенного крыла (рис. 16, а). Сбросы обРис. 15. Геометрические
разуются в условиях растяжения земэлементы сброса:
А – наклонная амплитуда;
ной коры.
а – вертикальная амплитуда;
а' – стратиграфическая амплитуда;
Взбросы – разрывные нарушения,
б – горизонтальная амплитуда;
в которых висячее крыло поднято по
1 – висячее крыло; 2 – лежачее
крыло; 3 – сместитель
крутому (более 60°) сместителю, а лежачее опущено; сместителъ наклонён в сторону приподнятого крыла
(рис. 16, б). Надвиги – нарушения типа взбросов, обладающие пологим
(менее 60°) сместителем (рис. 16, в). Очень пологие надвиги с волнистой
поверхностью сместителя и значительным горизонтальном перемещением (на десятки и сотни километров) называют шарьяжными или тектоническими покровами.
Сдвиги представляют собой разрывные нарушения, в которых перемещение блоков друг относительно друга происходит преимущественно в горизонтальном направлении (рис. 16, г). Они часто сочетаются
со сбросами, взбросами, образуя переходные нарушения типа сбрососдвигов, взбросо-сдвигов и т. п. Взбросы, надвиги и сдвиги обычно
формируются в условиях сжатия земной коры.
62
а
б
в
д
г
е
ж
з
Рис. 16. Основные виды разрывных тектонических нарушений со смещением
Разрывные дислокации, группируясь друг с другом, образуют
сложные разрывные нарушения – ступенчатые сбросы, грабены, горсты. Ступенчатые сбросы – системы сбросов, в которых каждое последующее крыло опущено относительно предыдущего (рис. 16, д).
63
Грабены – нарушения, ограниченные системой сбросов или взбросов, в которых центральные части опущены относительно периферических (рис. 16, е). Горсты также ограничены системой сбросов или
взбросов, но центральные части их приподняты относительно периферических (рис. 16, ж). Выделяют также сложные грабены (рис. 16, з)
и сложные горсты.
В ряде случаев разрывообразовательные движения со смещением
носят мгновенный характер, и тогда с ними связано проявление мощных
подземных толчков, служащих причиной землетрясений.
Особый тип разрывных тектонических нарушений представляют собой так называемые глубинные разломы. Это долгоживущие разломы
глубокого заложения (до 700 км), пересекающие земную кору и углубляющиеся в мантию, характеризующиеся протяженностью в сотни и тысячи километров. По таким разломам обычно перемещаются очень
крупные блоки земной коры. Примерами их могут служить ТалассоФерганский разлом, протягивающийся через весь Тянь-Шань, КурилоКамчатский , разломы Рудного Алтая и др.
Следует также отметить, что в природе существует большое число
нарушений промежуточного складчато-разрывного характера.
Изучение дислокационных тектонических движений имеет огромное прикладное значение, особенно при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Ведь именно дислоцированные участки земной коры как наиболее ослабленные являются благоприятными для локализации месторождений. Характер дислокаций определяет условия размещения, морфологию рудных тел. Правильное понимание характера тектонической нарушенности массивов горных пород служит залогом успешной разведки и разработки месторождений
минерального сырья.
64
4.3.3. Элементы залегания геологических тел
Существование разнообразных тектонических нарушений вызывает
необходимость в определении (при геологических исследованиях) положения пластов горных пород в пространстве. Эти данные необходимы
для выяснения основных особенностей строения месторождений полезных ископаемых, их разведки и эксплуатации. Во всех случаях, когда
залегание различных геологических тел и в частности пластов горных
пород отличается от горизонтального, для определения их ориентировки
в пространстве вводится понятие об элементах залегания. К ним относятся простирание, падение и угол падения.
Простирание пласта (или любой наклонной плоскости) – это его
протяженность (положение) по отношению к странам света на горизонтальной плоскости. Направление простирания может быть выражено
линией простирания. Линия простирания – это линия пересечения поверхности пласта с горизонтальной плоскостью, т. е. любая горизонтальная линия в плоскости пласта.
Положение линии простирания относительно стран света определяется азимутом простирания. Азимут простирания – это правый горизонтальный векториальный угол, отсчитываемый от северного направления географического меридиана до линии простирания. Азимут может
меняться от 0 до 360°. Так как любая линия простирания имеет два взаимно противоположных направления, то азимут простирания может
быть выражен двумя значениями, различающимися на 180°.
Падение пласта – это его положение по отношению к плоскости
горизонта. Оно определяется линией падения. Линия падения – это линия пересечения плоскости пласта с вертикальной плоскостью, направленная в сторону его наибольшего наклона. Таким образом, линия падения и линия простирания взаимно перпендикулярны. В отличие от линии простирания, линия падения является вектором. Направление падения пласта также определяется азимутом.
65
Азимут падения – угол между проекцией линии падения на горизонтальную плоскость и северным направлением географического меридиана. Азимут падения может изменяться от 0 до 360° и всегда имеет
только одно значение.
Угол падения – это двугранный угол, образованный плоскостью
пласта и горизонтальной плоскостью (или угол между линией падения
и её проекцией на горизонтальную плоскость). Угол падения изменяется
при различных наклонах пласта от 0 до 90° . Запись элементов залегания
производится следующим образом: аз. пр. 225°; аз. пад. 135°, угол 32°.
В полевых условиях определение элементов залегания геологических тел производится с помощью горного компаса. Горным компасом
опреде ляются как горизонтальные (азимутальные), так и вертикальные
углы. Элементы залегания наклонного пласта и их измерение с помощью горного компаса показаны на рис. 17.
Рис. 17. Элементы залегания пласта и их измерение с помощью горного компаса:
АБ – линия простирания; А1Б1 – линия падения; α – угол падения;
I – определение угла падения; II – определение азимута падения;
III – нахождение линии простирания; IV – определение азимута простирания
66
Горный компас состоит из круглой коробки (корпуса), укреплённой
на прямоугольной пластинке. Внутри корпуса помещён лимб с делениями
от 0 до 360°. Деления на лимбе расположены в порядке, обратном ходу
часовой стрелки, с целью удобства непосредственного отсчёта азимутов.
В центре лимба расположено иглообразное остриё, на котором размещается магнитная стрелка. Северный конец стрелки обычно зачернён.
Для определения вертикальных углов в горном компасе имеется
клинометр (отвес), снабженный шкалой (полулимбом) с делениями от 0
до 90° в обе стороны от середины полуокружности. Отвес свободно колеблется только при вертикальном положении пластины компаса. Для
проверки горизонтальности положения пластины компаса на ней обычно располагается уровень.
При замере элементов залегания пласта в полевых условиях выбирают ровную площадку, совпадающую со слоистостью. Далее определение можно вести двумя способами. Для крутопадающих пластов сначала
находят положение линии падения и значение угла падения. Для этого
на выбранную плоскость ставят компас длинной стороной вертикально,
отвесом вниз. Магнитная стрелка при этом должна быть закреплена. Не
отрывая компас от плоскости, вращают его около некоторой точки А,
непрерывно следя за показанием клинометра. Наибольшее отклонение
отвеса будет соответствовать истинному углу падения пласта, а направление длинной стороны компаса в этом положении будет совпадать
с линией падения (см. рис. 17, I). Для определения азимута падения компас, не отрывая от данной линии, переводят в горизонтальное положение, отпускают магнитную стрелку и берут отсчёт по северному его
концу. Необходимо помнить, что при замере азимута падения север
лимба компаса обязательно должен быть направлен в сторону падения
пласта (см. рис. 17, II).
Поскольку азимут простирания отличается от азимута падения на
90°, его легко вычислить, прибавив к величине азимута падения или отняв от неё 90°.
67
При пологом залегании сначала находят положение линии простирания. Для этого компас в вертикальном положении длинной стороной
ставят на выбранную плоскость и, поворачивая вокруг точки А, находят
такое его положение, при котором отвес на полулимбе показывает нуль
(см. рис. 17, III). В этом положении длинная сторона компаса совпадает
с линией простирания. Для замера азимута простирания длинную сторону компаса, приведённого в горизонтальное положение, прикладывают
к найденной линии, при этом концы магнитной стрелки показывают
значения двух азимутов простирания. Обычно отсчёт берётся по северному концу (см. рис. 17, IV).
Для нахождения линии падения компас кладут основанием на выбранную плоскость, совмещая его короткую сторону с линией простирания, длинная сторона компаса при этом совпадёт с линией падения. Определение её азимута описано выше. Затем компас вновь приводят
в вертикальное положение и прикладывают длинной стороной к найденной линии падения, при этом отвес компаса показывает значение угла
падения.
Замеренные в заданной точке элементы залегания пласта наносят на
геологическую карту или план в виде короткой стрелки, ориентированной по азимуту падения, и перпендикулярной к ней более длинной линии, совпадающей с простиранием пласта. Рядом со знаком указывают
значение угла падения. Замеры элементов залегания можно проводить в
естественных выходах горных пород, называемых геологическими обнажениями, и в горных выработках.
4.4. Землетрясения как одно из проявлений
тектонических движений
Такие грозные явления природы, как сильные землетрясения, издавна возбуждали интерес человечества и неоднократно упоминались в летописях и исторических хрониках. Однако предметом научного иссле68
дования они сделались недавно и изучаются в настоящее время специальной наукой – сейсмологией. А все явления, связанные с возникновением и проявлением землетрясений, называют сейсмическими.
Землетрясением называется всякое колебание земной поверхности,
вызванное естественными причинами. Значительное разнообразие землетрясений связано с изменением глубины гипоцентра. Диапазон изменения глубин очагов очень велик, значительно больше мощности земной
коры. Так, если в одних районах глубина очага не превышает 10 км, то
в других она составляет 500, 600 и даже 700 км. Однако в целом с увеличением глубины гипоцентра частота землетрясений уменьшается.
По глубине гипоцентра землетрясения подразделяют: на поверхностные с гипоцентром на глубине до 10 км, нормальные – 10-60 км,
промежуточные – 60-300 км, глубокофокусные – более 300 км.
На территории России преобладают нормальные землетрясения –
46 % всех зарегистрированных землетрясений, поверхностные составляют 36 %, а промежуточные – 18 %. Глубокофокусных землетрясений
немного, и отмечаются они в основном в пределах Дальнего Востока.
Вопрос о происхождении и геологических условиях возникновения
землетрясений достаточно сложен и до конца не решен. Однако по современным представлениям землетрясения связывают с тремя главными
причинами, которые и определяют их генетические типы.
Денудационные землетрясения связаны с процессами денудации
земной коры – обвалами в горах, крупными оползнями, провалами сводов естественных пустот (например, карстовых пещер) и т. д. Эти землетрясения поверхностные, так как обладают минимальной глубиной гипоцентра. Сила их в редких случаях может быть значительной и быстро
убывает с удалением от него. Доля денудационных землетрясений в общем балансе землетрясений невелика.
Вулканические землетрясения связаны с деятельностью вулканов
и возникают в результате глубинных взрывов газов, выделяющихся из
магмы, гидравлических ударов магмы, движущейся по каналу сложной
69
формы и сечения и т. д. По глубине очага вулканические землетрясения
относятся к нормальным, однако гипоцентр их редко залегает на глубинах, превышающих 30-50 км. Землетрясения этого типа часто сопровождают вулканические извержения и обычно предшествуют им, поэтому
землетрясения вблизи действующих вулканов являются показателем
приближающегося вулканического извержения, хотя и не всегда достаточно надёжным. Вулканические землетрясения более распространены,
чем денудационные, однако их доля в общем числе землетрясений также
невелика.
Тектонические землетрясения составляют около 95 % всех землетрясений, регистрируемых на нашей планете. По современным представлениям, они связаны с кратковременными разгрузками механических напряжений, возникающих при взаимных перемещениях (вертикальных и горизонтальных) отдельных блоков литосферы. Сила трения
до некоторых пор препятствует этим перемещениям, тем самым способствуя накоплению напряжений. Когда смещающие силы превышают силу трения, наступает кратковременная разгрузка этих напряжений, приводящая к смещениям блоков по глубинным разломам, образованию новых разрывов в коре. Эта разгрузка сопровождается образованием сейсмических волн, распространяющихся от гипоцентра, которым обычно
является наиболее напряженный узел деформаций.
Тектонические землетрясения могут быть связаны с перемещениями
блоков не только земной коры, но и литосферы в целом, поэтому землетрясения этого типа наиболее глубокофокусные, очаг их часто располагается на глубинах в несколько сот километров. Вследствие значительной глубины очага и огромного количества накопленной и выделяющейся энергии тектонические землетрясения регистрируются сейсмическими станциями в самых удалённых от эпицентра точках земного шара,
а катастрофические последствия наиболее мощных из них охватывают
значительные территории.
70
Землетрясения проявляются в виде подземных толчков. Их сила
оценивается по особой шкале в баллах. С 1953 г. в СССР введена 12балльная сейсмическая шкала. По этой шкале классификация результатов землетрясений производится с учетом степени повреждения различных типов сооружений, а также характера деформаций почвы (табл. 4).
Таблица 4
Шкала землетрясений
Название
Балл
землетрясении
по мощности
1 Незаметное
2 Очень слабое
3
Слабое
4
Умеренное
5
Довольно сильное
6
Сильное
7
Очень сильное
8
Разрушительное
9
Опустошительное
10
Уничтожающее
11
Катастрофическое
12
Характер колебаний и разрушений
Людьми не ощущается, фиксируется только приборами
Фиксируется приборами. Может ощущаться отдельными
людьми, находящимися в состоянии покоя
Повреждений и разрушений нет. Ощущается небольшой частью населения в состоянии покоя
Легкое колебание предметов; повреждений нет. Ощущается
большинством людей, находящихся в помещении
Сотрясение зданий; трещины в штукатурке. Дребезжание
окон и смещение мебели. Пробуждение спящих
Легкое повреждение здания; падение предметов в помещении;
небольшие осыпи (изредка). Неустойчивое передвижение людей
Значительное повреждение зданий; трещины в почве, оползни. Остаются невредимыми деревянные и антисейсмические
постройки. Передвижение людей затруднено
Сильное повреждение в большинстве зданий. Значительные
трещины в почве, много оползней и обвалов. Люди с трудом
удерживаются на ногах. Имеются человеческие жертвы
Сильные повреждения и разрушения каменных зданий. Широкие трещины в почве. Горные обвалы. Повреждения дорог.
Много жертв
Очень сильные разрушения зданий. Повреждение насыпей,
дамб; искривление железнодорожных линий; разрывы трубопроводов; образование больших трещин в почве. Многочисленные обвалы, осыпи, запруды в реках. Поломки деревьев.
Очень много жертв
Общее разрушение. Оползни, обвалы, трещины. Многочисленные жертвы
Сильная катастрофа Всеобщие разрушения. Обширные трещины. Разрывы, сдвиги,
обвалы, оползни, изменение режима подземных и проточных
вод, изменение русел рек и появление озер. Гибель значительной части населения
71
Место возникновения землетрясений в недрах Земли называется его
фокусом, или гипоцентром (рис. 18).
Рис. 18. Эпицентр и гипоцентр землетрясения
Точка на поверхности Земли, расположенная на кратчайшем расстоянии от гипоцентра, называется эпицентром. Максимальная разрушительная сила землетрясения отмечается в эпицентре, по мере удаления от которого сила землетрясения убывает. Линии равных значений
силы землетрясения называют изосейстами, а внутреннюю зону вокруг
эпицентра, ограниченную максимальной изосейстой, – плейстосейстовой областью.
Землетрясения имеют продолжительность от нескольких секунд до
нескольких месяцев (и даже лет). Благодаря постепенной прерывистой
разгрузке механических напряжений имеет место повторяемость подземных толчков. Обычно за начальным крупным толчком следует цепь
более мелких, которые называются афтершоками, и весь этот период
называют периодом землетрясения. Афтершоки могут продолжаться
в течение 3-4 лет после основного толчка, однако частота их постепенно
убывает. Так, в течение Алма-Атинского землетрясения 1887 г. было зафиксировано более 600 толчков.
72
Наряду с землетрясениями бывают и моретрясения. Они происходят в тех случаях, когда эпицентр расположен на дне моря (океана) или
же на суше, но вблизи берега. Под влиянием моретрясения и вызванных
им внезапных перемещений отдельных участков дна в массе морских
или океанических вод возникают особые волны, получившие название
«цунами». Такие же волны могут проявляться и в случае подводного извержения. Волны цунами распространяются с большой скоростью (до
1000 км/ч) и могут пройти по всему океану от одного побережья к другому. Высота таких волн у берегов нередко составляет 20-25 м. Достигнув берега, они могут проникнуть в глубь материка по долинам рек на
сотни и тысячи метров, причиняя огромные разрушения. Возвращаясь
назад, в море, волна увлекает за собой людей, животных, сносит постройки, суда и т. д. Цунами особенно характерны для Тихого океана,
где от них страдают прибрежные населенные пункты Японии, Курильских островов, Камчатки и других территорий.
В открытом море (океане) волны цунами мало ощутимы (длина волны до 300 км, а высота небольшая), поэтому при приближении волн цунами к берегу суда выводятся в открытое море. Только в эпицентре моретрясения суда могут ощущать сильный толчок.
Географическое распространение землетрясений имеет много общего с географическим распространением вулканов. Они также связаны
преимущественно с Тихоокеанским побережьем (Тихоокеанский пояс) и
с широтным поясом, охватывающим Средиземное море, Южную Азию,
Зондский архипелаг (Средиземноморский пояс). Эти два пояса землетрясений, как и вулканов, совпадают с поясами молодых складчатых
горных сооружений. Вместе с тем землетрясения происходят и в пределах более древних горных сооружений. Объясняется это тем, что в таких
горных сооружениях происходят так называемые неотектонические (новейшие) движения, в результате которых образуются разломы нередко
большой амплитуды. К таким древним горным сооружениям на терри73
тории бывшего Советского Союза относятся Тянь-Шань, Алтай, Саяны,
Прибайкалье и Забайкалье.
Из истории последних столетий, и особенно нынешнего, известно
немало опустошительных землетрясений. Среди них следует назвать
Лиссабонское (1775), Алма-Атинское (1887), Японское (1923), Ашхабадское (1948), Чилийское (1960), Ташкентское (1966), Газлинское
(1984), Мексиканское (1985).
Лиссабонское землетрясение по существу было моретрясением, так
как эпицентр его находился под дном моря. В результате землетрясения
вначале обрушилась и ушла под воду набережная города, а затем волна
цунами затопила побережье. В результате погибли десятки тысяч людей,
затонули многие суда.
Японское землетрясение, охватившее территорию г. Токио, привело
к гибели около 150 тысяч человек, а более 100 тысяч человек получили
ранения. Полностью было разрушено более 100 тысяч домов и столько
же частично.
На территории бывшего СССР к числу крупнейших землетрясений
XX в. относятся Ашхабадское, Ташкентское, Газлинское, Спитакское .
В Ашхабадском (1948) землетрясении (9 баллов) город был разрушен уже после первого толчка: сохранилось только несколько зданий,
имевших округлые очертания, которые лучше противостояли подземным толчкам (элеватор, собор, мечеть), и здания, построенные с учетом
требований антисейсмического строительства. В Ашхабаде и на прилегающих территориях возникли многочисленные трещины, произошли
обвалы, оползни, осыпи. Помимо основного, наиболее разрушительного
толчка произошло еще свыше 1000 толчков.
Эпицентр Ташкентского землетрясения 1966 г. располагался в центре города. Сила главного толчка достигла 8 баллов. Повторные толчки
разной силы многократно продолжались около двух лет.
Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений представляют чрезвычайно важную задачу, так как от степени их достоверности за74
висят огромные капиталовложения в сейсмостойкое строительство. Повышение на 1 балл возможной сейсмической опасности сразу ведет
к удорожанию всех строительных объектов. Сейсморайонирование – это
очень трудоемкая и ответственная работа, которая должна дать ответ на
один-единственный вопрос: какое максимальное расчетное землетрясение можно ожидать в данном конкретном районе (МРЗ).
Рис. 19. Сейсмическое районирование территории СССР
(по данным Института физики Земли АН СССР):
Зоны: 1 – десятибалльная; 2 – девятибалльная; 3 – восьмибалльная; 4 – семибалльная;
5 – шестибалльная; 6 – асейсмическая (сила землетрясений менее шести баллов)
Сначала составляются мелкомасштабные карты общего сейсмического районирования (ОСР). Такая карта масштаба 1:5000000 для территории бывшего СССР была подготовлена в 1978 г. (рис. 19). В целях более точного прогноза для проведения крупных строительных работ необходимы уже карты масштаба 1:1000000 – 1:200000 детального сейсмического районирования (ДСР) и даже масштаба 1:25000, так называе-
75
мого сейсмического микрорайонирования (СМР), которое производится
при планировании городов, поселков и т. д.
В зависимости от балльности возможных землетрясений, в строительстве существуют специальные нормы, строгое выполнение которых
обязательно. Ограничивается этажность зданий, укрепляется их фундамент, они окружаются антисейсмическими поясами, не разрешается возведение дополнительных нависающих деталей, облегчается кровля, используется железобетон и т. д. Опыт показывает, что объекты, построенные с соблюдением всех норм для районов с повышенной сейсмичностью, при землетрясениях либо остаются целыми, либо получают незначительные повреждения.
Прогноз землетрясений – актуальная задача сейсмологии и сейсмогеологии. Карты сейсмического районирования показывают, какие районы могут быть наиболее опасными и какой прогнозной силы землетрясения следует ожидать здесь.
Однако всех интересует наиболее трудный и важный вопрос: когда
оно произойдет? Ответить на него, конечно, нелегко, но работы в этом
направлении ведутся усиленно, и уже есть обнадеживающие примеры.
Прогноз может быть разный: долгосрочный, краткосрочный и оперативный. Первый дается на ближайшие десятки-сотни лет, второй – на годы,
месяцы, дни и даже часы. Предвестников землетрясений очень много,
и они совершенно разные. Когда речь идет о долгосрочном прогнозе, то
в областях сильных землетрясений, происходящих раз в десятки лет,
важным показателем является длительное отсутствие землетрясений.
Чем это время больше, тем выше вероятность сильного землетрясения.
В некоторых случаях важную роль играет периодичность землетрясений
по данным многолетних наблюдений. Для краткосрочных прогнозов
большое значение имеет непрерывное наблюдение за изменением уровня земной поверхности и наклонов, измеряемых с помощью наклонометров. Увеличивающееся напряженное состояние массивов горных по76
род чревато его скорой разрядкой, сказывается на упругих свойствах пород, их электропроводности, скорости прохождения сейсмических волн.
Перед землетрясением часто изменяются магнитное поле, акустические свойства среды и электрический потенциал атмосферы, гидрогеохимические параметры вод, животные ведут себя необычно и т. д. Некоторые прогнозы были неудачными, а перед землетрясением 1975 г. в Китае, в провинции Ляонин в городе Хайчэн, предсказание было точным.
4 февраля в 10 ч. 30 мин. утра было сделано объявление о возможном
сильном землетрясении в ближайшее время. Общая тревога и эвакуация
населения из домов началась в 14.00 этого же дня, а в 19 ч. 36 мин.
сильное землетрясение с магнитудой в 7,3 разрушило почти 90 % зданий
в городе, но число жертв не превысило 200-300 человек. Если бы жители
в этот холодный день оставались дома, жертвы измерялись бы тысячами. В Китае было еще несколько удачных прогнозов, но в 1976 г. неожиданно произошло страшное землетрясение, от которого погибло несколько сот тысяч человек.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. По какому основному принципу выделяются эндогенные и экзогенные
процессы?
2. Что называется слоем, или пластом?
3. В чем причина деформаций горных пород?
4. Какие бывают дислокации пород?
5. Какие существуют типы складок и по какому признаку они классифицируются?
6. Какова классификация разрывных нарушений?
7. Какие существуют элементы разрыва?
8. Какие выделяются основные группы тектонических движений земной
коры?
9. В чем особенности колебательных тектонических движений земной
коры?
77
10. В чем особенности дислокационных движений земной коры?
11. Что представляет собой землетрясение?
12. Как образуются цунами?
13. Где и в каких структурах Земли происходят землетрясения?
14. Возможен ли прогноз землетрясения?
78
Глава 5
МАГМАТИЗМ
5.1. Общая характеристика магматизма
Магматизмом называют явления, связанные с образованием, изменением состава и движением магмы из недр Земли к ее поверхности. Магма
представляет собой природный высокотемпературный расплав, образующийся в виде отдельных очагов в литосфере и верхней мантии, главным образом в астеносфере. Подъем магмы и прорыв ее в вышележащие
горизонты происходят вследствие инверсии плотностей, при которой
внутри литосферы появляются очаги менее плотного, но мобильного
расплава. Таким образом, магматизм – это глубинный процесс, обусловленный тепловым и гравитационными полями Земли.
В зависимости от характера движения магмы различают магматизм
интрузивный и эффузивный. При интрузивном магматизме (плутонизме) магма не достигает земной поверхности, а активно внедряется во
вмещающие вышележащие породы, частично расплавляя их, и застывает в трещинах и полостях коры. При эффузивном магматизме (вулканизме) магма через подводящий канал достигает поверхности Земли, где
образует вулканы различных типов, и застывает на поверхности. В обоих случаях при застывании расплава образуются магматические горные
породы. Температуры магматических расплавов, находящихся внутри
земной коры, судя по экспериментальным данным и результатам изучения минерального состава магматических пород, находятся в пределах
700-1100 °С. Измеренные температуры магм, излившихся на поверхность, в большинстве случаев колеблются в интервале 900-1100 °С, изредка достигая 1350 °С. Более высокая температура наземных расплавов обусловлена тем, что в них протекают процессы окисления под воздействием атмосферного кислорода. На больших глубинах в магме в растворенном состоянии присутствуют летучие компоненты – пары воды
79
и газов (H2S, Н2, CO2, HCl и др.). В условиях высоких давлений их содержание может достигать 12 %. Они являются химически очень активными подвижными веществами и удерживаются в магме только благодаря
высокому внешнему давлению.
В процессе подъема магмы к поверхности, по мере снижения температуры и давления, происходит распад системы на две фазы – расплав
и газы. Если движение магмы медленное, то ее кристаллизация начинается в процессе подъема, и тогда она превращается в трехфазную систему: газы, расплав и плавающие в нем кристаллы минералов. Дальнейшее
охлаждение магмы приводит к переходу всего расплава в твердую фазу
и к образованию магматической породы. При этом летучие компоненты
отделяются и основная их часть удаляется по трещинам в окружающие
магматические камеры или непосредственно в атмосферу в случае излияния магмы на поверхность. В затвердевшей породе сохраняется лишь
незначительная часть газовой фазы в виде мельчайших включений в минеральных зернах. Таким образом, состав исходной магмы определяет
состав главных, породообразующих минералов сформировавшейся породы, но не является строго идентичным ему в отношении содержания
летучих компонентов.
Процессы магматизма играют исключительно важную роль в формировании земной коры, поставляя в нее материал из мантии, наращивая
кору и приводя к перераспределению материала внутри самой коры.
Магматические породы составляют основную часть земной коры, занимая более 90 % ее объема. Характерными их особенностями являются
массивное строение и залегание в большинстве случаев в виде несогласных, резко ограниченных тел, активно контактирующих с вмещающей
осадочной толщей. Наличие таких активных контактов связано с температурным воздействием магмы на окружающие породы и с деформацией
пород кровли при подъеме магмы.
80
5.2. Типы магм
Ученые давно отказались от представления о том, что каждая магматическая порода образуется из своей особой родоначальной магмы. Существование определенных магматических ассоциаций свидетельствует
о том, что разные породы, входящие в состав одной ассоциации, имеют
общее происхождение и образуются из одной родоначальной, или первичной, магмы.
Вопрос о числе первичных магм окончательно не решен. В настоящее
время безусловно признается существование двух первичных магм – базальтовой (основной) и гранитной (кислой). Гипотеза существования
двух первичных магм была выдвинута советским ученым Ф. Ю. Левинсоном-Лессингом в 20-е годы XX века.
Существование первичной базальтовой магмы подтверждается как
чрезвычайно широким распространением базальтов, развитых на участках
коры с совершенно различным строением и историей развития, так и повторением во всех географических периодах излияния базальтовых магм,
практически не меняющихся по составу. Она образуется в верхней мантии
главным образом в астеносфере, где соотношения между температурой
и давлением таковы, что вещество в ней находится в состоянии, близком
к состоянию, соответствующему в точке плавления. Небольшое повышение температуры на отдельных участках приводит к восстановлению
очагов плавления, или очагов первичной магмы. При движении этой магмы вверх ее состав постепенно изменяется в результате обогащения
наиболее легкими и легкоплавкими компонентами.
Существование первичной гранитной магмы подтверждается
очень широким распространением гранитов, их самостоятельным, независимым от базальтов залеганием и, главное, невозможностью образования больших масс гранитов за счет дифференциации базальтовой магмы. Очаги гранитной магмы возникают в пределах коры на глубинах 1081
30 км. По современным представлениям гранитная магма образуется
в результате переплавления осадочных и метаморфических пород.
Гранитная и базальтовая магмы различаются не только по химическому составу, но и по физическим свойствам. Кислые магмы более легкие, вязкие, насыщены газами. Основные магмы более тяжелые (по сравнению с кислыми), подвижные и содержат меньшее количество газов.
Помимо общепринятых представлений о двух первичных магмах –
базальтовой и гранитной, высказывается предположение о существовании еще двух первичных магм – перидотитовой (ультраосновной) и андезито-вой (средней). Представление о существовании самостоятельной
перидотитовой магмы основано на развитии на различных участках
коры протяженных поясов ультраосновных пород, образующих крупные
обособленные тела. Характерно, что по некоторым особенностям химического состава ультраосновные породы этих поясов отличаются от
ультраосновных пород, развитых на других участках земной коры и являющихся закономерными среди присутствующих там магматических
пород. Вопрос о первичном происхождении перидотитовых магм до настоящего времени остается спорным. В частности, согласно одной из точек зрения, обособленные тела ультраосновных пород, о которых говорилось выше, представляют собой не застывшую магму, а линзы магматических пород, выжатых по глубинным разломам из верхней мантии
в твердом виде.
Вопрос о существовании первичной андезитовой магмы также
спорный. Предпосылкой для рассмотрения магмы этого состава в качестве первичной служит тот факт, что на современном этапе огромное
количество андезитовой магмы извергается вулканами островных дуг
западной периферии Тихого океана. Для объяснения проблемы образования андезитовой магмы привлекаются два механизма. Первый предполагает выплавление андезитовой магмы из пород верхней мантии при
очень высоких температурах, что в принципе возможно и доказано экспериментально. Более вероятен, однако, второй механизм, в соответст82
вии с которым андезитовая магма является продуктом активного взаимодействия первичной базальтовой магмы с корой периферии континентов и процессов замещения некоторых ее компонентов.
5.3. Причины многообразия магматических пород
Признание существования ограниченного числа первичных магм несколько противоречит огромному разнообразию магматических пород,
встречающемуся в природе. Причина этого кажущегося противоречия кроется в тех физико-химических процессах, которые нарушают однородность
первичного магматического расплава и обусловливают образование различных по составу пород. К таким процессам относятся дифференциация,
ассимиляция и гибридизация.
Дифференциация магмы – это процесс разделения однородного первичного расплава на различные по химическому составу фракции, из которых образуются горные породы разного минерального состава. Дифференциация может происходить в жидкой фазе до появления первых кристаллов – ликвация, или в процессе выделения кристаллов из расплава –
кристаллизационная дифференциация. В процессе ликвации магма расслаивается на две различные по плотности и несмешивающиеся жидкие
фазы. Существующие к настоящему времени петрографические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что процессы ликвации не
играют существенной роли в формировании основной массы магматических пород.
Главной причиной разнообразия магматических пород является кристаллизационная дифференциация, широкое проявление которой подтверждается как петрографическими наблюдениями, так и экспериментально. Отделение кристаллов от расплава обусловливается действием
главным образом тектонических сил и силы тяжести (гравитационное
фракционирование). Процесс гравитационного фракционирования является
основным. Он заключается в последовательной кристаллизации сили83
катов, начиная от наиболее тугоплавких и тяжелых (железо-магнезиальные силикаты и основные плагиоклазы) и кончая легкоплавкими и легкими (калиевые полевые шпаты и кварц). В процессе кристаллизации тяжелые минералы погружаются в нижние слои расплава, а остаточный расплав верхних частей последовательно обедняется железо-магнезиальными
соединениями и обогащается кремнеземом. В результате гравитационного
фракционирования в процессе кристаллизации основной магмы в нижних
слоях расплава могут образоваться ультраосновные породы; при этом
в верхних частях расплав может приобрести такой состав, что из него
начнут формироваться диориты, сиениты и даже граниты.
Процесс дифференциации может происходить как на больших глубинах, в магматическом очаге, так и в верхних частях земной коры, в магматической камере. В результате дифференциации в магматическом очаге в верхние горизонты коры внедряются уже готовые дифференциаты
первичной магмы, при застывании которых образуются породы различного состава, залегающие в виде самостоятельных массивов. Процесс
дифференциации в магматической камере приводит к формированию
расслоенных массивов горных пород, основность которых уменьшается снизу вверх. При излиянии магмы на поверхность кристаллизационная дифференциация практически не имеет места, так как обычно магма
затвердевает довольно быстро, не успев раскристаллизоватъся.
Ассимиляция – процесс полной переработки вмещающих пород,
контактирующих с магмой или попадающих в нее в виде обломков –
ксенолитов. Расплавляя и растворяя вмещающие породы, магма тем самым изменяет свой состав. Особенно резко изменяется состав первичной магмы, если она ассимилирует осадочные или метаморфические породы, существенно отличающиеся от нее по химическому составу. В таких случаях образуются новые разновидности магматических пород, мало сходные по составу с первичными магмами.
Гибридизация – процесс неполной переработки магмой вмещающих пород. В ходе этого процесса внутри магматической камеры сохра84
няются непереплавленные ксенолиты, а на окружающих их участках
магма «загрязняется» чужеродными компонентами. При застывании таких участков образуются гибридные породы с нетипичным для магматических пород соотношением главных оксидов, содержащие нехарактерные для магматических пород минералы. По своему составу участки
гибридных пород резко отличаются от пород главной части массива.
5.4. Интрузивный (плутонический) магматизм
Формы проявления магматизма зависят от геологической обстановки образования и внедрения магмы и тесно связаны с тектоническими
движениями земной коры. Если поднимающаяся магма не достигает поверхности Земли, а застывает внутри коры, образуются глубинные магматические тела – интрузии. Форма интрузивных тел может быть разнообразной и, в свою очередь, определяется характером дробления вмещающих пород и физическими свойствами магмы.
Существуют два основных механизма внедрения магмы во вмещающую толщу. Магма может проникать по плоскостям напластования осадочных пород или по трещинам, пересекающим вмещающую толщу.
В первом случае она может поднимать пласты кровли или, наоборот,
вызывать прогибание подстилающих пластов, воздействуя своей массой.
При внедрении крупных масс расплава он прокладывает себе дорогу
вверх путем обрушения пород кровли, которые тонут в нем и ассимилируются с ним. В последнем случае магма сама формирует пространство,
которое она занимает. От механизма внедрения магмы зависит не только
форма, но и контакт интрузивных тел с вмещающими осадочными породами; физические свойства магмы, главным образом ее вязкость, также
влияют на форму тел.
В зависимости от соотношения с вмещающей осадочной толщей интрузивные тела подразделяют на согласные и несогласные (классификация Р. Дэли). Согласные интрузивные тела образуются, как правило,
85
в результате внедрения магмы по плоскостям напластования осадочных
пород. К этому классу интрузий относят силлы, лакколиты, лополиты и
факолиты.
Силл – пластообразное интрузивное тело, размеры которого могут
варьировать в широких пределах, но мощность всегда меньше занимаемой им площади (рис. 20, 5). Силлы являются широко распространенной
формой залегания основных магматических пород, поскольку подвижные
основные массы легко проникают по плоскостям напластования. Как
правило, они залегают группами и встречаются в толщах недислоцированных или слабодислоцированных осадочных пород.
Рис. 20. Формы интрузивных тел:
1 – дайки; 2 – штоки; 3 – батолит; 4 – гарполит; 5 – многоярусные силлы; 6 – лополит;
7 – лакколит; 8 – магматический диапир; 9 – факолит; 10 – бисмалит
86
Лакколит – тело, имеющее плоское основание и куполообразный
свод (рис. 20, 7). Лакколиты, как правило, образуются при внедрении кислой магмы, которая вследствие большой вязкости с трудом проникает
по плоскостям наслоения, скапливается на одном участке и приподнимает породы кровли. Форма лакколитов в плане округлая, с диаметром
от сотен метров до нескольких километров.
Лополит – чашеобразное тело, вогнутая форма которого обусловлена прогибанием подстилающих пластов под тяжестью магмы (рис. 20, 6).
Лополиты чаще всего сложены породами основного или ультраосновного состава и представляют собой очень крупные интрузивные тела, площадь которых достигает десятков тысяч квадратных километров.
Факолит – линзообразное тело, залегающее в ядре антиклинальной
или синклинальной складки (рис. 20, 9). Факолиты имеют небольшие размеры, встречаются редко и только в складчатых областях. Образуются
они одновременно со складками.
Несогласные интрузивные тела формируются при заполнении магмой
трещин во вмещающей толще и при внедрении магмы путем обрушения
пород кровли. К ним относятся дайки, жилы, штоки и батолиты.
Дайка – плитообразное тело, мощность которого несоизмеримо
меньше протяженности по падению (рис. 20, 1). Дайки образуются при заполнении трещин и ориентированы в земной коре вертикально или наклонно. Размеры их колеблются в очень широких пределах. Самая крупная
из известных даек – «Большая дайка» Родезии – имеет мощность более
5 км и протяженность около 500 км. Различают особую разновидность даек – кольцевые дайки, которые возникают при заполнении магмой трещин,
появляющихся при опускании цилиндрических блоков горных пород. Как
правило, дайки сложены породами основного состава и встречаются группами, составляя серии параллельных или радиальных тел.
Шток – тело неправильной формы, приближающейся к цилиндрической, с крутопадающими или вертикальными контактовыми поверхностями (рис. 20, 2). В плане очертания его неправильные, изометричные.
87
Корни штоков уходят на большие глубины, площадь поперечного сечения не превышает 100 км2. Штоки представляют собой широко распространенную форму залегания магматических пород различного состава.
Батолит – самое крупное интрузивное тело. Площадь, занимаемая
батолитами, измеряется десятками и сотнями тысяч квадратных километров. Один из крупнейших батолитов, обнаруженный в СевероАмериканских Кордильерах, имеет длину около 2000 км и ширину около 200 км. Форма батолитов в плане несколько вытянутая в соответствии с направлением осей складчатых структур, контактовые поверхности крутые, кровля куполообразная с выступами и впадинами (рис. 20,
3). В виде батолитов залегают граниты и породы близкого к ним состава.
Плутонический магматизм не ограничивается только образованием
тел магматических горных пород. Как уже говорилось в начале лекции,
магматизм – это очень длительный процесс образования, движения, изменения и остывания магмы. Родоначальная магма в течение всего периода становления магматического очага испытывает сложнейшие физико-химические превращения, которые приводят к образованию большого разнообразия интрузивных горных пород, а на завершающей стадии
формирования магматического плутона – к формированию пегматитов.
Пегматиты могут быть связаны с магмами любого состава, но наибольшее практическое значение имеют пегматиты кислых магм, или гранитные пегматиты.
Кроме упомянутых процессов, вокруг интрузива в процессе формирования и после охлаждения и кристаллизации магмы развиваются связанные с ним геологические процессы, называемые постмагматическими.
На определенной стадии эволюции магматического расплава, когда
превышается предел растворимости в нем летучих компонентов, от него
отделяются в виде самостоятельной фазы газовые (пневматолитовые)
растворы, основную роль в которых играют водяные пары. При снижении температуры растворов до 450-400 °С они превращаются в жидкие
или гидротермальные (горячие водные) растворы. Пневматолитовые
88
и гидротермальные растворы нередко выносят значительные количества
цветных, редких, благородных и радиоактивных металлов, содержащихся в исходном магматическом расплаве, образуя месторождения полезных ископаемых, нередко имеющие важное промышленное значение.
На всех этапах развития магматических процессов формируются определенные ассоциации минералов, соответствующие конкретным условиям. Около 46 % встречающихся в земной коре минеральных видов
обязано своим происхождением магматическим процессам (табл. 5).
Таблица 5
Классификация магматогенных процессов минералообразования
Процесс
Способ и среда
минералообразования
Продуктивность, %
Минералы кристаллизуются непосредственно из магмы
8
Минералы кристаллизуются из остаточных
магматических расплавов, обогащенных летучими компонентами
ПневматолитоМинералы кристаллигидротермальный зуются из газовых и
жидких растворов, отделяющихся от магмы
10
Собственно
магматический
Пегматитовый
28
Примеры минералов
Оливин, пироксены, роговая обманка, плагиоклазы,
нефелин, апатит, хромит,
магнетит, пент-ландит
Калиевые полевые шпаты,
кварц, мусковит, лепидолит, топаз, берилл
Вольфрамит, касситерит,
молибденит, пирит, галенит, сфалерит, халькопирит, киноварь, антимонит,
борнит, барит, кальцит, доломит, флюорит
5.5. Эффузивный (вулканический) магматизм
Эффузивный магматизм проявляется в обстановке дробления земной коры и образования разломов, по которым магма поднимается и изливается на поверхность Земли. Магма, излившаяся на поверхность, называется лавой. Лава отличается от магмы тем, что почти не содержит
летучих компонентов, которые при падении давления отделяются от магмы и уходят в атмосферу.
89
5.5.1. Типы вулканов
При излиянии магмы на поверхности образуются вулканы различного типа. По характеру пространства, занимаемого поднимающейся лавой, вулканы подразделяются на площадные, трещинные и центральные.
Площадные вулканы существовали только на самых ранних этапах истории Земли, когда земная кора была тонкой (и на отдельных участках
могла целиком расплавиться) и излияния магмы происходили на обширных площадях. Практически площадные вулканы – это моря расплавленной лавы. Трещинные вулканы представляют собой излияния лав по
протяженным трещинам. Вулканизм трещинного типа в некоторые промежутки времени достигал очень широких масштабов, в результате чего
на поверхность Земли выносилось огромное количество вулканического
материала. На современном этапе трещинные вулканы распространены
ограниченно, хотя и встречаются в отдельных районах, например вулкан
Лаки в Исландии, Толбачинский на Камчатке и др. (рис. 21), Большинство современных вулканов относится к центральному типу. При извержении таких вулканов обычно образуются конусообразные постройки (рис. 22).
Иногда на склонах конуса возникают маленькие конусы. Они образуются в месте выхода побочных каналов, ответвляющихся от основного.
Такие маленькие конусы получили название побочных, или паразитических. С течением времени конус вулкана, сложенный лавами и туфами,
может быть полностью или частично разрушен процессами денудации.
Особенно часто это наблюдается у потухших древних вулканов. При этом
на вершине конуса возникает обширная депрессия (впадина) округлых
очертаний – кальдера. Как правило, эти депрессии имеют округлые
внутренние стенки и довольно плоское дно.
Извержения вулканов носят различный характер: могут сопровождаться взрывами и землетрясениями или протекать спокойно. Взрывы
часто происходят в результате закупорки центрального канала вязкими
90
лавами и скопления газов под образовавшейся пробкой. Жидкие лавы
спокойно переливаются через край кратера и растекаются по окружающей местности. При извержениях продукты вулканической деятельности могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
Б
Рис. 21. Вулканы трещинного (А) и щитового центрального (Б) типов
Рис. 22. Схема строения стратовулкана:
1 – кальдера на вершине; 2 – вершинный конус; 3 – побочные лавовые вулканы;
4 – экструзивный конус на склоне; 5 – основной конус вулкана с чередованием лавовых потоков
и туфовых покровов; 6 – более ранние кислые туфы в вулканотектонической впадине;
7 – периферический магматический очаг
91
Газообразные продукты, или фумаролы, характеризуются высокой
температурой и разнообразным составом. В них содержатся водяные
пары, углекислый газ, азот, сернистый газ, водород, оксид углерода,
хлор и др. Газовый состав фумарол во многом определяется их температурой. В зависимости от температуры выделяют сухие, кислые и щелочные фума-ролы.
Сухие фумаролы отличаются высокой температурой, порядка 500 °С,
Обычно они не содержат водяных паров, но зато насыщены хлористыми
соединениями, в первую очередь такими, как хлористый натрий, хлористый калий, хлористое железо и др.
Кислые фумаролы обладают достаточно высокой температурой, достигающей 300-400 °С. В отличие от сухих, они содержат водяные пары,
хлористый водород и сернистый ангидрит.
Щелочные фумаролы характеризуются средними температурами, немного выше 180 °С, и содержат главным образом хлористый аммоний,
при разложении которого выделяется свободный аммиак.
Газовые выделения с температурой около 100 °С называются сольфатарами, они состоят преимущественно из водяных паров и сероводорода. Газовые выделения с температурой ниже 100 °С называются мофе-тами; они представлены главным образом углекислым газом и водяными парами.
В ряде случаев выделение вулканических газов достигает грандиозных масштабов. Наличие газов в магме замедляет ее остывание, а их потеря приводит к быстрому затвердеванию жидких продуктов извержения.
Жидкие продукты, или лавы, при извержении характеризуются высокими температурами, колеблющимися в пределах 600-1200 °С. Как отмечалось ранее, лава представляет собой магму, в значительной степени
потерявшую газовые компоненты. Лавы, как и магмы, различают по химическому составу, определяющему их физические свойства. В зависи92
мости от содержания SiO2, выделяют лавы кислые (риолитовые) и основные (базальтовые).
Кислые (риолитовые) лавы светлые, окрашены обычно в серые тона,
вязкие, медленно остывают и содержат много газов. Основные (базальтовые) лавы, наоборот, окрашены в темные тона, имеют большую плотность, жидкую консистенцию, быстро остывают и содержат много газов.
При застывании лав образуются эффузивные, или излившиеся, горные
породы.
Поскольку лавы обладают различными физическими свойствами, то
при излиянии их на поверхность Земли образуются эффузивные тела разной формы: купола (конусы), покровы и потоки,
Покровы возникают при излиянии лав основного, базальтового состава и нередко занимают огромные площади. Лавовые потоки значительно меньше по площади, образуются в тех случаях, когда лава движется по ущельям, речным или ледниковым долинам. При сравнительно
небольшой ширине лавовые потоки в ряде случаев бывают вытянуты на
десятки километров. Остывание лавовых тел таких размеров происходит
неравномерно, поэтому в их теле появляются характерные трещины, зависящие от состава лавы, размеров лавового потока и характера его остывания. По этим трещинам происходит своеобразное растрескивание лав;
это явление называется отдельностью. Отличают отдельность столбчатую, матрацевидную, шаровую и др.
Помимо газообразных и жидких продуктов во время извержения вулкана выбрасывается большое количество твердых продуктов, которые
представлены обломками горных пород или кусками успевшей застыть
лавы. Твердые продукты, выбрасываемые в воздух, падают на различном расстоянии от кратера. При этом наблюдается определенная закономерность: более крупные обломки падают у края кратера и скатываются вниз по его внешнему и внутреннему склонам, более мелкие выбрасываются на прилегающие равнины или откладываются у подножия конуса. В зависимости от величины обломков, твердые продукты вулканиче93
ских извержений подразделяют на вулканические бомбы, лапилли, вулканический песок и пепел.
Вулканические бомбы – это крупные, от нескольких сантиметров до
1 м и более в диаметре, куски затвердевшей или частично затвердевшей
лавы. Форма бомб самая различная – от шаровидной до веретенообразной. Встречаются бомбы менее правильной формы. Лапилли (лат. «лапиллис» – камешек) представляют собой обломки шлака величиной до
1,5-3 см в диаметре. Форма лапиллей, как и бомб, весьма разнообразная.
Вулканическим песком называются твердые продукты извержения,
размер которых не превышает 1-5 мм. Вулканический пепел состоит из
мельчайших (менее 1 мм) частиц лавы, вулканического стекла и других
пород. Пепел оседает на склонах конуса или разносится на большие расстояния; при накоплении и уплотнении пепла формируются породы, называемые вулканическим туфом.
5.5.2. Типы вулканических извержений
Характер извержений бывает весьма различным и зависит от температуры лавы и ее химического состава. Эти свойства определяют качество и количество продуктов извержения, наличие и силу сопровождающих землетрясений и т. д. По таким признакам установлено несколько четко выраженных типов извержений: гавайский, стромболианский,
везувианский и пелейский (табл. 6).
Гавайский тип извержений характерен для вулканов Мауна-Лоа
и Килауза на о-ве Гавайи. Это классические щитовидные вулканы с
очень пологими склонами (уклон не более 5°) и конусом, сложенным
слоями остывшей лавы. Такие пологие конусы образовались в результате излияния подвижной жидкой базальтовой лавы с малым содержанием га-зов. Извержению этого типа предшествует подъем магмы и накопление ее в магматических камерах. По мере возрастания давления лава
начинает медленно переливаться через край кратера и разливаться по склону.
94
Таблица 6
Характер вулканизма и типы вулканических извержений
Группы
проявлений
вулканизма
1. Вулканизм океанических
рифтовых
зон
2. Вулканизм океанических
плит
3. Вулканизм материковых
рифтовых
зон
4. Вулканизм зон
субдукции
Характер
активности
Типы
вулканических
извержений
Примеры
извержений
Характер изменения
основных свойств
магмы при излиянии
на поверхность
Земли
Эффузивная Исландский Вулканы О. Исландия, вулканы о-вов
Амстердам и СенПоль (Индийский
океан), вулканы о-вов
Сан-Бенедикто, Галапагосских и Пасхи
(Тихий океан)
Гавайский Мауна-Лоа, Килауа
(Гавайские о-ва), вулканы многочисленных океанических
островов
Центрально- Ньямлагира, НьираАфрикангонго (Центральная
ский
Африка)
Увеличение
содержания О2,
вязкости, газонасыщенности
Смешанная Стромболи- Стромболи (Липар(эффузивно- анский
ские о-ва Тирренскоэксплозивго моря), Изалько
ная)
(Сальвадор), Сангай
(Эквадор), Михара
(Япония)
Этнинский Этна (о. Сицилия),
Парикутин (Мексика), Ключевская сопка (Камчатка)
ВулканиВулькано (Липарские
ческий
о-ва Тирренского моря), Везувий (Италия), поздние извержения: Авачинская сопка (Камчатка), Карымская сопка
(Камчатка)
Увеличение
содержания О2,
вязкости, газонасыщенности
95
Окончание таблицы 6
Группы
проявлений
вулканизма
Характер
активности
Эксплозивная
Типы
вулканических
извержений
Примеры
извержений
Характер изменения
основных свойств
магмы при излиянии
на поверхность
Земли
Плинианский
Пелейский
Везувий (Италия),
ранние извержения
Мон-Пеле (Малые
Антильские о-ва),
Шивелуч (Камчатка),
Санта-Мария (Гватемала), Мерапи
(о. Ява)
Катмайский Катмай (Аляска), Безымянный (Камчатка)
Кракатауский
Кракатау (Зондские
о-ва), Тамбора (Зондские о-ва), Санторин
(Эгейское море)
Наиболее характерными примерами извержений стромболианского
типа являются извержения вулканов Стромболи в Средиземном море
и Ключевского на Камчатке. Лава, изливающаяся из этих вулканов, менее подвижна, заключенные в ней газы выделяются спорадически, в виде взрывов. При этом комки лавы, часто раскаленной, выбрасываются из
кратера, образуя бомбы и лапилли. Вот как описывает извержение Ключевского вулкана советский вулканолог Б. И. Пийп. В канун 1945 г. из
кратера Ключевского вулкана вырвался огромный клуб газов, высота
которого по визуальным подсчетам составила 7 км. Вместе с газом был
выброшен огненный столб высотой около 1,5 км. В это же время с вершины вулкана обрушилась лавина бомб, после чего началось выпадение
пепла из выброшенного облака. Извержение сопровождалось грохотом,
который был слышен на расстоянии 200 км, и многочисленными толчками землетрясений, сила которых достигала 3-5 баллов. Через несколько дней из кратера начала изливаться раскаленная лава, которая стекала
96
вниз по склонам вулкана. Излияние лавы продолжалось более 20 дней,
после чего началось выделение газовых струй в кратере и по склонам.
Подобные извержения Ключевского вулкана повторялись неоднократно.
К везувианскому типу следует отнести извержения таких вулканов,
как Везувий, Этна и др. Все они расположены в Средиземном море. Для
везувианского типа извержения характеры чрезвычайно мощные выбросы магмы, насыщенной газом. Продукты извержения выбрасываются
наружу в виде огромных черных туч, из которых затем выпадают ливни
пепла и грязевые потоки. Лава изливается из боковых трещин и устремляется по склонам конуса.
Пелейский тип – извержения вулкана Мон-Пеле, расположенного
на о-ве Мартиника. Извержениям этого типа обычно предшествуют
сильные подземные толчки. Магма вулканов чрезвычайно вязкая и содержит много газов. Извержение сопровождается сильными взрывами,
а магма пробивает себе путь через боковые трещины, так как жерло перекрыто куполом. При выходе на поверхность лава вследствие значительной вязкости выдавливается вверх в виде огромной пробки, образующей обелиск. При этом из-под пробки вырываются нагретые газы,
капельки лавы и пепла, образующие «палящую» тучу раскаленных продуктов извержения.
Как показали наблюдения, характер извержения одного и того же
вулкана со временем может измениться. Обычно это бывает связано
с изменением химического состава магм, питающих вулкан. На поверхности земного шара лишь небольшое количество вулканов постоянно
находится в действии. Большая их часть проявляется периодически, долгое время находясь в состоянии покоя. В этом случае все признаки вулканической деятельности исчезают, и лишь иногда происходит выделение водяного пара и фумарол. К потухшим вулканам относят те, которые не возобновляли своей деятельности в течение истории человечества. В настоящее время на суше известно более 700 действующих вулканов. Число подводных вулканов практически не поддается учету –
97
только в Тихом океане предполагается наличие не менее 10 тыс. конусов
и центров излияния лав.
Извержения вулканов – грозные явления природы, часто сопровождающиеся человеческими жертвами и значительными разрушениями.
Одно из сильнейших извержений произошло в 1815 г. на о-ве Сумбава
в Индонезии, когда взорвался вулкан Тамбора. Из кратера было выброшено около 100 км3 пепла на высоту до 20 км. При этом на удалении до
40 км были разбросаны бомбы диаметром 13 м, а в 150 км от вулкана
толщина выпавшего пепла достигала 0,5 м. При взрыве и от его последствий погибло 100 тыс. человек. Другими крупными извержениями в истории являются извержение вулкана Кракатау в Индонезии (1883), при
котором погибло 36 тыс. человек; извержение вулкана Мон-Пеле на о-ве
Мартиника (1902) с 30 тыс. жертв; извержение Везувия (79 г. н. э.), извержения вулкана Лаки (Исландия, 1783), извержение вулкана Унзедоке
(Япония, 1792) и др. Катастрофическим по своим последствиям было
извержение вулкана Арепас в Колумбии в ноябре 1985 г., когда погибло
более 20 тыс. человек.
Существенно сказывается деятельность вулканов и на глобальном
климате, поскольку в атмосферу выбрасывается огромное количество
пыли, в результате чего снижается прозрачность атмосферы и соответственно происходит похолодание. Так, в результате извержения вулкана
Тамбора в 1815 г. в отдельных районах Земли практически не было лета;
в Лондоне отмечалось снижение среднегодовой температуры на 2-3 °С,
в Северной Америке вообще не созрел урожай. В целом результаты воздействия извержений вулкана на климат могут ощущаться в течение нескольких лет.
5.5.3. Поствулканические явления
После окончания вулканического извержения еще в течение очень
долгого времени наблюдаются различного рода процессы, свидетельст98
вующие о сохраняющейся активности магматического очага. Это – выделение газов, гейзеры и термальные источники, извержения грязевых
вулканов. Выделение газов, которое сопровождает извержение вулканов, продолжается еще в течение долгого времени после его окончания.
Газы фумарольные, сольфатарные, мофетные выделяются из кратера
вулкана из многочисленных трещин на его склонах. Так, в долине «Десяти тысяч дымов» на Аляске, расположенной в окрестностях вулкана
Катмай, последнее извержение которого было в 1912 г., в виде многочисленных струй выделяется в секунду около 23 млн л паров, выносящих с собой в течение года 1250000 т хлористого и 200000 т фтористого
водорода. Вулкан Менделеева на о-ве Кунашир последний раз извергался в 1894 г., однако обильное газовыделение с отложением кристаллов
самородной серы продолжается здесь и по сей день. В ряде районов
в виде сублиматов, используемых в промышленности, отлагаются борная кислота, хлористый аммоний, железо-марганцевые соединения.
В районах современного вулканизма минеральные образования,
а также перегретые водяные пары вулканического происхождения могут
иметь промышленное значение. В столице Исландии Рейкьявике, например, большая часть жилищ, многочисленные теплицы отапливаются
термальными водами. В Италии в окрестностях городка Лардерело буровыми скважинами вскрыты огромные запасы пара с температурой около
200 °С. Под давлением 0,5 МПа этот пар подается на турбины электростанций. В районе Паужетских источников на Камчатке на вулканическом тепле работает опытно-промышленная электростанция.
Термальные источники имеют температуры выше среднегодовой
данной местности, в ряде случаев их температура достигает 100 °С. Если
в горячих источниках наблюдается повышенная концентрация минеральных веществ, они называются термоминеральными. Термальные источники известны практически во всех вулканических областях, у нас
они широко распространены на Курильских островах и на Камчатке.
99
Гейзеры представляют собой периодически действующие горячие
(80-100 °С) пароводные источники. Названы так по названию района
Гейзер в Исландии, где они впервые наблюдались. Механизм работы
гейзеров объясняется следующим образом: в период покоя у дна канала
гейзера скапливается перегретая вода, которая благодаря давлению вышележащего столба не превращается в пар. Когда в более высоких частях столба вода закипает и начинается интенсивное парообразование,
приводящее к уменьшению давления, наступает критический момент,
и перегретая вода, мгновенно обратившись в пар, выбрасывается наружу
в виде пароводного фонтана той или иной высоты. А затем процесс повторяется. Периодичность извержений довольно постоянна, интервал
между выбросами у различных гейзеров изменяются от 10 минут до 5,5
часов. Гейзеры широко развиты в Иеллоустонском парке в США, в Исландии, Новой Зеландии, на Камчатке в так называемой «Долине гейзеров». Воды гейзеров благодаря их высокой температуре минерализованы и содержат соли натрия, калия, магния, кальция, кремнезем. В связи
с этим вокруг гейзеров обычно образуются минеральные отложения, называемые гейзеритами.
Грязевые вулканы представляют собой конусовидные возвышенности высотой 1-2 м с пологими склонами, сложенные рыхлыми песчаноглинистыми образованиями. На вершинах таких холмов располагаются
кратеры, через которые и происходят выбросы грязи. Причиной, вызывающей грязевые извержения, являются вулканические газы и пары,
подходящие снизу по трещинам. Встречая на своем пути рыхлые породы, насыщенные водой, они выталкивают их на поверхность в виде грязи. Эти образования сходны с грязевыми вулканами нефтегазоносных
областей, так называемыми экзогенными псевдовулканами, в которых
движущей силой являются газы не вулканического, а органического
происхождения.
100
5.5.4. Географическое расположение вулканов
В настоящее время на земном шаре насчитывается около 4 тыс. потухших вулканов и 540 действующих. Распределены они на поверхности
Земли очень неравномерно: имеются обширные пространства, совершенно лишенные следов проявления вулканической деятельности, как,
например, вся европейская часть и Западная Сибирь России, и области,
богатые вулканами, примером которых может служить побережье Тихого океана.
Закономерности, намечающиеся в географическом распространении
вулканов, сводятся к следующему. Все зоны современного вулканизма
приурочены только к определенным тектонически подвижным участкам
земной коры, в пределах которых их расположение часто контролируется
глубинными разломами. На материках такими участками являются зоны
молодых горноскладчатых сооружений, переходные зоны от материков
к океаническим впадинам, островные дуги. В океанах – это подводные
срединно-океанические хребты с их рифтовыми зонами. Интересно, что
77 % ныне действующих вулканов приурочены к переходной зоне.
Та же закономерность справедлива и для геологического прошлого
нашей планеты. Так, например, советскими вулканологами установлено,
что на Кольском п-ве и в Карелии вулканизм активно проявлялся в архее
и протерозое, то есть в эпохи геосинклинального развития этих регионов, на Урале и в Казахстане – в палеозое, в Крыму – в мезозое и т. д.
В настоящее время на земном шаре выделяются несколько зон развития вулканизма. Важнейшими из них являются следующие (рис. 23).
Тихоокеанская зона, или так называемое «Тихоокеанское огненное
кольцо», – наиболее крупная. В нее входит около 60 % всех действующих вулканов (326 вулканов) и большое количество недавно потухших.
Тихоокеанская зона протягивается через п-в Камчатку, о-ва Курильские,
Японские, Филиппинские, Новую Гвинею, Соломоновы, Ново-Зеландские. Далее через Северо-Восточную оконечность Антарктиды она про101
ходит вдоль западного побережья Америки – от Огненной Земли через
Анды и Кордильеры к Аляске и Алеутским островам.
Рис. 23. Географическое распространение вулканов
(Физико-географический атлас мира, 1964):
1 – вулканы суши; 2 – вулканы подводные; 3 – срединно-океанические хребты;
4 – рифтовые вулканические гряды; 5 – глубоководные желоба
Другой зоной повышенной интенсивности вулканической деятельности является Средиземноморско-Гималайский пояс. Эта зона прослеживается в широтном направлении от Альп через Апеннины, Кавказ до гор
Малой Азии. Здесь расположены такие вулканы, как Везувий, Этна, вулканы Липарских о-вов и Эгейского моря, Эльбрус, Казбек, Арарат и др.
Менее обширной зоной распространения вулканов является субмеридиональная Атлантическая зона, которая прослеживается от Исландии
через Азорские и Канарские о-ва до о-вов Зеленого Мыса. Большинство
вулканов здесь потухшие. Наиболее известен действующий вулкан Гекла в Исландии.
102
Небольшая группа вулканов приурочена к Восточно-Африканской
зоне разломов. Здесь расположены вулканы Кения и Килиманджаро.
5.6. Классификация магматических пород
Магматические породы классифицируются по их вещественному
составу и условиям образования. Вещественный состав может быть выражен через химический или минеральный состав породы. Общий химический состав показывает количественное соотношение элементов,
входящих в состав породы; минеральный состав отражает характер соединений, в виде которых эти элементы присутствуют в породе. Химический и минеральный состав взаимосвязаны, однако характер этой связи сложный, поскольку минеральный состав породы зависит не только
от химического состава исходной магмы, но и от условий образования
породы. Поэтому при классификации магматических пород учитывают
и химический и минеральный их состав. Среди главных оксидов магматических пород преобладает кремнезем. В природе не существует магматических пород, в которых он составляет менее 24 % и более 85 %.
Содержание SiO2, преобладающего среди главных оксидов, положено
в основу классификации магматических горных пород по химическому
составу. Породы с содержанием SiО2 более 65 % называются кислыми,
65-52 % – средними, 52-45 % – основными и менее 45 % – ультраосновными. Название «кислые породы» произошло от слова «кремнекислота», которым раньше обозначали SiО2; название «основные породы» –
от слова «основание» (Са, Mg, Fe и др.). По содержанию других главных
оксидов магматические породы подразделяются на известково-щелочные (породы нормального ряда) и щелочные.
Магматические породы по условиям образования, т. е. в зависимости от того, где они образуются при застывании магмы – внутри коры
или на ее поверхности, подразделяют на интрузивные (плутонические),
глубинные и эффузивные (вулканические), излившиеся. Интрузивные
103
и эффузивные породы различаются по структуре, которая зависит от условий затвердевания магмы. Кристаллизационная способность магматического расплава определяется двумя основными факторами: количеством
возникающих центров кристаллизации и скоростью роста кристаллов.
Если магма охлаждается очень медленно и температура ее долго
держится вблизи точки плавления, то она может полностью закристаллизоваться вокруг редких центров кристаллизации, так и не достигнув
области, где количество центров возрастает. При этом образуются полнокристаллические крупнозернистые структуры. При быстром охлаждении магмы в области с малым числом центров кристаллизации этому
процессу подвергается лишь незначительная часть расплава, затвердевание основной его части происходит в области с большим количеством
центров кристаллизации, что и ведет к образованию мелкозернистых
структур. При очень большом переохлаждении магма не кристаллизуется, а затвердевает в виде однородной изотропной массы – вулканического стекла. Если магма охлаждается неравномерно, сначала медленно,
а затем быстро, то возникают порфировые структуры, в которых крупные кристаллы являются продуктами кристаллизации, возникшими при
медленном остывании магмы, а основная масса представляет собой быстро затвердевший сплав. Таким образом, для интрузивных пород, образующихся при незначительном переохлаждении магмы, характерны
полнокристаллические крупнозернистые структуры, а для эффузивных
пород, формирующихся из сильно переохлажденных магм, – неполнокристаллические, порфировые и стекловатые.
В результате различия условий кристаллизации магматических пород внутри коры и на ее поверхности интрузивные и эффузивные породы, образовавшиеся из одинаковой магмы, оказываются аналогичными
по химическому составу, но резко различаются по структуре и отчасти
по минеральному составу. Различие в минеральном составе объясняется
двумя причинами. Первая состоит в том, что даже при одинаковом химическом составе не может быть полного совпадения минерального со104
става эффузивной породы, не полностью раскристаллизованной и содержащей вулканическое стекло, и интрузивной породы, сплошь состоящей из минеральных зерен. Вторая причина заключается в том, что
условия кристаллизации часто определяют появление тех или иных минеральных видов.
В настоящее время общепринятой классификацией магматических
пород является классификация А. Н. Заварицкого, основанная на количественном соотношении главных породообразующих минералов с учетом химического состава, структур и условий образования пород. Согласно этой классификации (табл. 7), магматические горные породы
нормального ряда по содержанию полевых шпатов, кварца и железомагнезиальных силикатов подразделены на пять групп, в каждую из которых входят близкие по химическому и минеральному составу породы
интрузивного и эффузивного рядов.
Таблица 7
Классификация магматических горных пород
Группа
Условия Название
пород по
образова- породы
содержанию, %
ния
SiО2;
Na2O+K2O
1
2
3
Ультраоснов- Интруные 33-45; 0-1 зивные
Эффузивные
Структура
4
Дунит
Мелко- или
скрытокристаллическая
ПеридоМелко- и
тит
среднекристаллическая
Пироксе- Средне- и
нит
крупнокристаллическая
Пикрито- Порфировая
вый порфирит
105
Текстура
Минеральный состав
5
6
Массивная 70-100 % оливина;
0-30 % пироксена
Массивная 30-70 % оливина;
30-70 % пироксена
Массивная 0-30 % оливина;
70-100 % пироксена
Массивная,
пористая,
миндалекаменная
Вкрапленники оливина и пироксена
среди полустекловатой зеленоваточёрной массы
Продолжение таблицы 7
1
Основные
42-52; 1-4
Средние
52-65; 4-6
2
Габбро
Эффузивные
Базальт
Интрузивные
Диорит
Эффузивные
Кислые
65-75; 6-8
3
Интрузивные
Интрузивные
Интрузивные
Среднекристаллическая
5
6
Массивная,
пористая,
миндалекаменная
Иногда различаются
мелкие пластинки и
иголочки плагиоклаза и пироксена
среди стекловатой
тёмно-серой массы
50-70 % плагиоклаза, 30-50 % роговой
обманки (реже пироксена)
Вкрапленники плагиоклаза и амфибола
среди полустекловатой серой и тёмносерой массы
25-30 % кварца,
50-60 % калиевонатрового полевого
шпата, 10-15 % плагиоклаза, 5-15 %
слюды (реже амфибола)
Вкрапленники кварца и полевого шпата
среди полустекловатой жёлтой розовой
или бурой массы
70-80 % полевого
шпата (в основном
калиево-натрового),
20-30 % амфибола
(реже биотита)
и 20-30 % пироксена
50-60 % полевых
шпатов, 30-40 % нефелина, 10-20 % амфибола и пироксена
Массивная, 50-70 % пироксена,
пятнистая, иногда амфибола,
полосчатая 30-50 % плагиоклаза
Массивная,
пятнистая,
полосчатая
Андезит Порфировая Массивная,
(андезипористая,
товый
миндалепорфирит)
каменная
Гранит
Средне- и
крупнокристаллическая
Массивная,
пятнистая
Порфировая
Массивная,
пористая,
миндалекаменная
Сиенит
Средне- и
крупнокристаллическая
Массивная,
пятнистая
Нефелиновый сиенит
Средне- и
крупнокристаллическая
Массивная,
пятнистая
Эффузив- Липарит
ные
(кварцевый
порфир)
Щелочные
52,62-65,
8-20
4
Средне- и
крупнокристаллическая
Полустекловатая,
скрытокристаллическая
106
Окончание таблицы 7
1
2
Эффузивные
3
Ортоклазовый
порфир
Фонолит
4
5
Порфировая Массивная,
пористая,
миндалекаменная
Массивная,
пористая,
миндалекаменная
6
Вкрапленники ортоклаза среди полустекловатой бурой
массы
Вкрапленники нефелина, полевого шпата, эгирина среди
буровато-тёмносерой полустекловатой массы
Название каждой группы составлено из названий наиболее распространенной интрузивной породы и ее эффузивного аналога:
1) группа перидотитов, по содержанию кремнезема соответствующая ультраосновным породам – гипербазитам;
2) группа габбро-базальтов, соответствующая основным породам –
базитам;
3) группа диоритов-андезитов, соответствующая средним породам;
4) группа гранитов-риолитов и гранодиоритов-дацитов, соответствующая кислым породам;
5) группа сиенитов-трахитов, соответствующая средним породам.
Магматические горные породы характеризуются исключительным разнообразием, в настоящее время известно около тысячи их разновидностей. Сравнительно широко распространены около ста из них,
однако относительная распространенность пород различного состава
в высшей степени неодинакова: одни слагают обширные участки земной
коры, другие встречаются в незначительном количестве. Можно отметить следующие особенности распространения магматических пород
различного типа: самыми распространенными являются кислые интрузивные породы – граниты и основные эффузивные породы – базальты;
породы среднего состава характеризуются весьма незначительным распространением.
107
Различные магматические породы встречаются в земной коре не
в произвольных сочетаниях, а в определенных ассоциациях. Совместно
находятся породы, связанные общностью происхождения.
5.7. Роль магматизма в образовании
месторождений полезных ископаемых
Процессы магматизма, особенно интрузивного, необычайно продуктивны в смысле образования месторождений полезных ископаемых. Все
месторождения, формирование которых связано с деятельностью магмы,
называют магматогенными. Месторождения полезных ископаемых могут создаваться практически на всех стадиях эволюции магматических
расплавов.
На стадии кристаллизации магматического расплава образуются
собственно магматические месторождения, связанные обычно с магмами, а соответственно и с горными породами ультраосновного, основного
и щелочного составов. Примерами их могут служить месторождения
хромитов, алмазов, титаномагнетитов, сульфидных медно-никелевых
руд, металлов группы платины, а также месторождения апатитов, широко используемых для производства фосфорных удобрений, и нефелиновых сиенитов, нефелин которых применяется в настоящее время для извлечения алюминия.
На стадии кристаллизации остаточных магматических расплавов,
богатых летучими компонентами, образуются пегматитовые месторождения таких важных полезных ископаемых, как слюды (мусковит), драгоценные камни, олово, вольфрам, молибден, литий, бериллий, уран, торий, тантал, ниобий и др.
Формирование крупнейших месторождений многих металлических
полезных ископаемых связано с деятельностью гидротермальных растворов. Это – месторождения меди, золота, серебра, свинца, цинка, рту108
ти, сурьмы, молибдена, вольфрама, урана и др. Большинство гидротермальных месторождений имеет жильную форму.
При процессах, развивающихся в приконтактовых зонах интрузивов, образуются месторождения железных, медных, свинцово-цинковых
и вольфрамово-молибденовых руд.
Формы рудных тел магматогенных месторождений необычайно разнообразны и нередко сложны. Это – жильные тела, гнёзда, штокверки,
трубы, реже плито- и линзообразные залежи. Особенностью многих магматогенных месторождений является также комплексность руд, сложность их минерального и химического составов.
Многообразие и сложность морфологии тел полезных ископаемых,
комплексность состава руд необходимо учитывать при выборе технологических схем разработки и переработки минерального сырья, добываемого из месторождений магматогенного происхождения.
В заключение необходимо отметить, что сами магматические горные породы широко используются в качестве штучного строительного
камня, материала для изготовления высококачественной брусчатки и
шашки, облицовочного камня, в цементной и камнелитейной промышленности.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие существуют типы магматизма?
2. Что такое магма и каковы её свойства?
3. Какова роль летучих компонентов в магме?
4. Каким образом магма превращается в горную породу?
5. Какие существуют типы интрузивов?
5. Какие продукты извержения вулканов известны?
6. Типы вулканических построек и их связь с составом магмы.
7. Какие типы вулканических извержений известны и в чём причина их
разнообразия?
8. Какие процессы носят название постмагматических?
109
9. Какие процессы относятся к поствулканической деятельности?
10. Каков механизм действия гейзера?
11. Какова географическая и тектоническая позиция современного вулканизма?
12. Какой основной признак положен в основу классификации магматических пород?
13. Назовите интрузивные и эффузивные магматические породы.
14. Месторождения каких полезных ископаемых являются результатом
магматизма?
110
Глава 6
МЕТАМОРФИЗМ
6.1. Общая характеристика и основные факторы метаморфизма
Горные породы после формирования могут попасть в такую геологическую обстановку, которая будет существенно отличаться от обстановки образования породы и на нее будут оказывать влияние различные
эндогенные силы: тепло, давление (нагрузка) вышележащих толщ, глубинные флюиды, растворы и газы, вода, водород, углекислота и др. Изменение магматических и осадочных пород в твердом состоянии под
воздействием эндогенных факторов и называется метаморфизмом
(греч. «метаморфо» – преобразуюсь, превращаюсь). Впервые термин
«метаморфизм» был введен в геологическую литературу Ч. Ляйеллем
в 1825 г. и с тех пор прочно вошел в употребление. Метаморфизм – преобразование горных пород под действием эндогенных процессов, вызывающих изменение физико-химических условий в земной коре. Преобразованию могут подвергаться любые горные породы: осадочные, магматические и ранее образовавшиеся метаморфические. В физико-химических условиях, отличных от тех, в которых образовались горные породы, происходит изменение их минерального состава, структуры и текстуры. Изменение минерального состава при метаморфизме может протекать изохимически, т. е. без изменения химического состава метаморфизуемой породы, и метасоматически, т. е. со значительным изменением химического состава метаморфизуемой породы за счет привноса
и выноса вещества. Изменение структуры и текстуры пород обычно
происходит в процессе перекристаллизации вещества. Особенность метаморфических процессов заключается в том, что они протекают с сохранением твердого состояния системы, без существенного расплавления пород. Лишь при определенных физико-химических условиях метаморфизм сопровождается частичной или полной кристаллизацией ис111
ходных пород. Процессы подобного характера объединяются под названием ультраметаморфизма.
В зависимости от интенсивности метаморфических процессов наблюдается постепенный переход от слабоизмененных, сохраняющих состав и структуру исходных разностей, до глубокопреобразованных пород, первичная природа которых практически утрачена.
Метаморфические отложения широко распространены в земной коре. Целью изучения этих пород является расшифровка первоначальной
природы пород и реконструкция условий их преобразования в земной
коре в метаморфические разности. Особенно важно с этой точки зрения
изучение геологии докембрийских комплексов, основная часть которых
сложена метаморфическими породами. Состав рассматриваемых пород
крайне разнообразен, в ряде случаев они представляют собой ценное
минеральное сырье, поэтому их исследование имеет не только теоретическое, но и практическое значение.
Метаморфизм представляет собой сложное физико-химическое явление, обусловленное комплексным воздействием температуры, давления и химически активных веществ.
Температура – важнейший фактор метаморфизма, влияющий на
процессы минералообразования и определяющий формирование тех или
иных ассоциаций. При повышении температуры резко увеличивается
скорость химических реакций и возрастает интенсивность процессов перекристаллизации. Повышение температуры способствует экзотермическим метаморфическим реакциям, идущим с поглощением тепла, вызывает дегидратацию гидроксилсодержащих минералов, декарбонатизацию карбонатов и приводит к образованию высокотемпературных минералов, лишенных конституционной воды. Перекристаллизация в условиях роста температур приводит к плавлению более крупнозернистых
структур.
Температурный интервал, в пределах которого происходят типичные метаморфические преобразования, согласно данным В. С. Соболева
112
(1970 г.), находится в пределах 300-1000 °С. Ниже 300 °С вследствие
резкого падения скорости химических реакций метаморфические превращения почти не происходят или совершаются крайне медленно; верхний предел ограничен температурой начала плавления наиболее распространенных горных пород и отвечает условиям образования магмы.
В общем случае интенсивность преобразований, связанных с воздействием температуры, увеличивается с глубиной залегания пород
и ростом продолжительности теплового воздействия. Однако прямой
зависимости здесь не существует, поскольку в разных зонах коры значения теплового потока и геотермического градиента различны. Этим объясняется неодинаковая степень температурных преобразований пород,
залегающих на сопоставимых глубинах, но в различных областях земного шара.
Давление – второй фактор метаморфизма. Различают воздействие
геостатического давления, которое создается массой вышележащих
толщ пород, и направленного давления (стресса), вызываемого тектоническими движениями.
Геостатическое давление способствует реакциям, идущим с сокращением объема твердой фазы, и приводит к образованию минералов
с более плотной упаковкой (и большой плотностью). Кроме того, геостатическое давление вызывает повышение температуры плавления минералов, расширяя тем самым интервал температурных преобразований
в твердой фазе. В условиях всестороннего давления формируются породы с однородной массивной текстурой.
Направленное давление проявляется в деформации пород и приводит к изменению их структурно-текстурных особенностей. Под влиянием стресса минералы в породе приобретают закономерную ориентировку, располагаясь длинными осями и плоскостями спайности перпендикулярно к направлению давления. При этом формируются так называемые сланцевые текстуры, характерные для обширной группы метаморфических пород – сланцев. Кроме того, стресс оказывает каталитическое
113
воздействие на процессы минералообразования, ускоряя или замедляя
их и вызывая дробление пород, повышает их фильтрационные свойства,
что способствует циркуляции метаморфизующих растворов.
Изменения геостатического и направленного давлений с глубиной
неодинаковы: если первое в общем увеличивается, то второе, наоборот,
ослабевает. На глубинах свыше 10 км направленные давления практически не проявляются, поскольку сокращение объема пустотного пространства в условиях высокого геостатического давления приводит к перенасыщению породы растворами и преобразованию направленного
давления в геостатическое. Однако и геостатическое давление контролируется не только глубиной. Согласно расчетным данным, его величина в подошве земной коры не превышает 1300 МПа. Между тем изменение минералов, полученных экспериментальным путем, и сопоставление
их с естественными ассоциациями минералов метаморфических пород
показывают, что давление при метаморфизме в земной коре может достигать 2500 МПа. Отсюда следует, что при определенных условиях величина давления зависит не только от массы вышележащих толщ пород,
но в значительной степени и от процессов направленного сжатия (в том
числе и в горизонтальном направлении), которые вызывают аномальное
увеличение давления на относительно небольших глубинах.
Химически активные вещества – третий и, вероятно, самый главный фактор метаморфизма. К ним, прежде всего, относятся вода и углекислота; в последнее время не меньшее значение придается водороду газу, обладающему высокими теплопроводностью и диффузивной способностью. Существенную роль играют также соединения N, Cl, F, В, S
и других элементов. В виде растворов сложного состава эти вещества
мигрируют через горные породы, оказывая на них метаморфизующее
воздействие. Согласно господствующей точке зрения, обоснованной
Д. С. Коржинским, А. А. Маракушевым и др., метаморфизующие растворы имеют глубинное (подкоровое) происхождение. Вода, содержащаяся в осадочных породах и освобождающаяся в процессе их высо114
котемпературного преобразования, не имеет большого значения и обычно не сказывается на общем характере метаморфизма. Основным фактором, по-видимому, являются восходящие горячие растворы, которые
диффундируют из недр сквозь мельчайшие пустоты пород и через магматические расплавы и, обогащаясь минерализаторами, становятся активными агентами метаморфизма.
Существенная роль при метаморфизме принадлежит фактору времени, ибо всё это очень длительные процессы, осуществляющиеся в
масштабах геологического времени. Однако ошибочно было бы думать,
что чем древнее породы, тем сильнее они метаморфизованы. Всё определяет конкретная геологическая обстановка. Дело в том, что проявления внутренней энергии Земли, порождающие основные причины метаморфизма, приурочены к подвижным зонам земной коры – геосинклинальным областям. Поэтому вполне естественно, что явления метаморфизма связаны пространственно в основном с этими областями. В спокойной геологической обстановке, в пределах платформ, практически не
затронуты процессами метаморфизма даже очень древние породы.
6.2. Типы и условия проявления метаморфизма
В природных условиях в различных участках земной коры совместно
проявляется несколько факторов метаморфизма, однако масштаб их
проявления в целом и относительная роль каждого фактора в метаморфическом процессе определяются конкретной геологической обстановкой. По особенностям пространственного размещения и размаху процесса различают два основных типа метаморфизма – локальный и региональный. Метасоматический метаморфизм может сопровождать метаморфизм любого типа и поэтому развивается как в локальных, так и в
региональных условиях.
Локальный метаморфизм контролируется конкретными структурными элементами – разломами, контактами с интрузивными породами,
115
пликативными дислокациями. Образующиеся при этом метаморфические породы связаны постепенными переходами с неметаморфизованными толщами. К локальным формам проявления метаморфизма относятся контактовый и катакластический метаморфизм.
Контактовый метаморфизм проявляется в пределах ореолов химического и термального воздействий интрузий на вмещающие породы.
Основными факторами этого метаморфизма являются температура
и химически активные вещества. По данным В. С. Соболева, температурный интервал, в котором происходит типичный контактовый метаморфизм, заключается в пределах 550-900 °С. Процесс идет при относительно низких давлениях и широком развитии метасоматоза. Летучие
компоненты магмы, проникая в виде растворов и газов в окружающие
породы, вступают с ними в реакцию и приводят к резкому изменению их
химического состава. Особенно значительны воздействия химических
агентов и проявление метасоматоза на контакте вмещающих пород с интрузиями кислого состава; интрузии основных и ультраосновных магм
оказывают в основном термальное воздействие на окружающие отложения. В целом величина контактового ореола, степень метаморфизма вмещающих пород в ореоле и характер преобразований зависят от температуры, объема и состава внедрившегося расплава. Типичными породами
контактово-термального метаморфизма являются роговики; к породам,
образовавшимся в результате контактово-метасоматических процессов
(метасоматитам), относятся скарны, грейзены, вторичные кварциты.
С метасоматитами связано большое количество месторождений полезных
ископаемых (олово, вольфрам, молибден, золото, полиметаллы).
Катакластический метаморфизм, или динамометаморфизм,
происходит под действием направленных давлений и заключается в механическом разрушении (дроблении и перетирании) пород – катаклазе.
Катакластический метаморфизм проявляется в тех случаях, когда величина направленного давления превышает предел прочности породы.
В результате катакластического метаморфизма в чистом виде, без уча116
стия температурного фактора и термальных растворов, образуются катакластические породы с различной степенью раздробленности: тектонические брекчии, катаклазиты, милониты. Однако в чистом виде катакластический метаморфизм происходит редко, поскольку областями его
максимального проявления служат зоны глубинных разломов, являющиеся в то же время и основными путями подъема тепла и термальных
растворов из недр.
Региональный метаморфизм проявляется на обширных участках и
охватывает огромные объемы пород, в пределах которых отсутствуют
переходы к неметаморфизованным отложениям. Факторами регионального метаморфизма являются температура, давление и химически активные
вещества, действующие совместно. При региональном метаморфизме
осуществляются изохимические и метасоматические процессы. Формирующиеся при этом породы отличаются большим разнообразием (сланцы, гнейсы, кварциты, мраморы, амфиболиты, гранулиты, эклогиты).
Региональный метаморфизм обычно связан с активными геосинклинальными областями. В прогибах, где нет складкообразовательных
движений и других деформаций, обычно отсутствуют и проявления регионального метаморфизма. В Прикаспийской впадине, например, мощность практически неметаморфизованных осадочных отложений достигает 25 км. Эти факты послужили основанием для того, чтобы соотносить региональный метаморфизм с орогенной стадией развития коры,
характеризующейся интенсивным складкообразованием, подъемом магматических масс и генетически связанных с ними термальных растворов. Последняя точка зрения развивается в трудах Д. С. Коржинского,
Ю. А. Кузнецова, А. А. Маракушева.
В обстановке регионального метаморфизма процессы преобразования пород могут достигать максимальной интенсивности, приобретая
характер ультраметаморфизма. Он обычно протекает на глубине в пределах складчатых областей, где термодинамические условия допускают
117
частичное или полное переплавление пород. Главнейшие процессы
ультраметаморфизма – анатексис, палингенез и гранитизация.
Анатексис – частичное, избирательное выплавление минералов
кварц-полевошпатового состава из исходных пород. В различных количествах расплав такого состава может получаться из любых осадочных
и пирокластических пород (за исключением карбонатов, эвапоритов
и некоторых других).
Палингенез – полное переплавление исходных пород определенного состава с образованием гранитной магмы. Это явление обычно связано с переплавлением гранито-гнейсов и осадочных пород, химический
состав которых отвечает гранитам.
Гранитизация – процесс химического и минерального изменения
пород любого состава с превращением их в граниты. Согласно Д. С. Коржинскому (1952) и А. А. Маракушеву (1973), в процессе гранитизации
исходная порода обязательно проходит стадию магматического расплава. Агентами гранитизации являются растворы, которые вызывают расплавление исходной породы, а затем, диффундируя через расплав, изменяют его состав до состава гранитной магмы. Компоненты гранитов при
этом растворяются в образовавшейся магме, а компоненты, «избыточные» по отношению к составу гранитной магмы, выносятся растворами
за пределы магматического очага.
При любых метаморфических преобразованиях образующиеся горные породы имеют в своём составе обычно две группы минералов: унаследованные от изначально существовавшей и образованные при метаморфизме. Минералы, возникшие только при процессах метаморфизма,
называются типоморфными. Ассоциации минералов, возникшие в определённых термодинамических условиях, образуют минеральные фации
метаморфических горных пород.
Под метаморфической фацией (определение ввёл финский петролог П. Эскола) понимается совокупность метаморфических пород, достигших химического равновесия при существовавших температурах
118
и давлении. Породы каждой фации характеризуются свойственным ей
минеральным составом, включающим наряду с минералами, устойчивыми в широких пределах температур и давлений и встречающимися во
многих фациях (например плагиоклаз, калиевый полевой шпат и особенно кварц), критические минералы (минералы-индексы), минералы,
свойственные только данной фации (устойчивые в узких пределах давлений и температур). Ассоциации индекс-минералов и создают фациальные комплексы, в пределах которых породы изофациальны. Таковы
общие принципы фациального анализа.
Первая фациальная схема была создана П. Эсколой и в несколько
видоизменённом Н. А. Елисеевым виде представляет собой наиболее
простой, удобный и вместе с тем универсальный график, отражающий
все основные особенности фациального метода (рис. 24).
р. 105 Па
Гранулитовая
10
Эклогитовая
Амфиболитовая
Палингенез и анатексис
5
Эпидотовых
амфиболитов
Зеленых
сланцев
0
200
Пироксенороговиковая
400
600
Санидитовая
800
1000 t, °С
Рис. 24. Диаграмма метаморфических фаций, по Н. А. Елисееву
Рассмотрим кратко минеральные сочетания каждой фации.
Фация зелёных сланцев. К зеленосланцевой фации относятся в основном слабоизменённые осадочные породы – серицитовые и хлоритовые сланцы, филлиты, перекристаллизованные песчаники, тальковокарбонатные породы и другие, а также зеленокаменная формация древних магматических комплексов.
119
Фация эпидот-амфиболитовая. Породы данной фации – ставролитовые, эпидотовые, альбит-олигоклазовые сланцы, мраморы, некоторые гнейсо-граниты – также широко распространены. Характерно появление эпидота, кианита, олигоклаза, граната (альмандина), ставролита,
роговой обманки. Минералы обладают большой плотностью вследствие
повышения компактности кристаллической решетки и частичной дегидратации.
Амфиболитовая фация. Породы амфиболитовой фации (гнейсы,
дистен-гранат-слюдяные сланцы, амфиболиты, кварциты, кварц-полевошпатовые породы с гранатом, кианитом, роговой обманкой и др.) образуются в довольно широкой области температур и давлений, соответствующей средней и высокой ступеням метаморфизма. Вместе с породами
эпидот-амфиболитовой фации – это самые распространенные породы
архейских и протерозойских кристаллических комплексов.
Гранулитовая фация. Породы гранулитовой фации представлены
крупнокристаллическими разновидностями гнейсов, амфиболитов, мраморов, всевозможных кварц-полевошпатовых пород с добавлением минералов, характерных для этой фации. Минералами-индикаторами служат в основном гиперстен, диопсид (в известковых породах), магнетит,
рутил, силлиманит, кордиерит, шпинель и др., причём минералы группы
листовых силикатов (слюды, тальк) и другие не характерны – они разлагаются с выделением воды, замещаясь минералами, устойчивыми в Р-Тусловиях данной фации.
Эклогитовая фация. Занимает несколько обособленное положение
среди других фаций. Породы этой фации имеют основной и ультраосновной состав; характерны минералы – омфацит (диопсид, содержащий
Na2O) и гранат – с высоким содержанием гроссуляровой и пироповой
составляющих. В качестве второстепенных минералов могут присутствовать калиевый полевой шпат, кварц, кианит, рутил. Породы эклогитовой фации образуются за счет метаморфизма габбро, перидотитов, дунитов и амфиболитов, встречаются часто в форме небольших тел, однако
120
образуют и довольно большие массивы (Южный и Полярный Урал).
Академик А. В. Сидоренко отмечал тонкое, ритмичное переслаивание
эклогитов с мраморами, парагнейсами и другими породами, указывающими на их первично-осадочный генезис. По условиям образования эклогиты близки к породам амфиболитовой фации, но сформированы, по
мнению большинства петрологов, при очень больших давлениях и приближаются в этом отношении к гранулитам. Существует точка зрения, в
соответствии с которой эклогиты слагают верхнюю часть мантии Земли.
Пироксен-роговиковая фация. Типично контактовая, возникающая
при высоких температурах (от 400 до 800 °С) и давлениях не выше
З00 МПа на контакте в контактовой зоне с крупными интрузиями
и представлена всевозможными роговиками. Характерные минералы –
альбит, биотит, эпидот, андалузит, кордиерит, везувиан, корунд. Внутри
данной фации можно выделить подфацию роговообманковых роговиков
(более низкотемпературную), занимающих преимущественно внешние
зоны контактовых ореолов.
6.3. Метаморфические горные породы
6.3.1. Строение и формы залегания
В зависимости от интенсивности метаморфических преобразований,
особенностей строения и минерального состава облик исходных пород
либо хорошо сохраняется – при слабой степени метаморфизма, либо изменяется вплоть до полной потери всякого сходства с изначально существовавшей породой. Структуры и текстуры метаморфических горных
пород характеризуются большим разнообразием, что обусловлено особенностями их образования. Прежде всего следует отметить, что все метаморфические породы имеют кристаллическое строение. Однако их
кристалличность по своему происхождению отличается от кристалличности магматических пород. Если при образовании плутонических по121
род кристаллы минералов последовательно выделяются из силикатного
расплава, то при метаморфизме рост всех минералов происходит одновременно и при сохранении твердого состояния породы. Для обозначения процесса кристаллизации минералов в твердой среде применяется
специальный термин – бластез (греч. «бластос» – росток). В связи
с этим наиболее характерными для метаморфических пород структурами являются кристаллобластические.
В зависимости от преобладающей формы минеральных зерен среди
этих структур различают: гранобластические, состоящие из более или
менее изометричных зерен (гранул), лепидобластические – зерна минералов имеют листоватую, чешуйчатую или пластинчатую форму, нематобластические – преобладают игольчатые и призматические формы
выделений минералов, а также порфиробластические, возникающие
в тех случаях, когда отдельные минералы благодаря их большей кристаллизационной силе образуют сравнительно крупные выделения
(порфиробластиты) в массе других. Между отдельными видами структур возможны взаимопереходы, например, в случае, когда в породе равноправным развитием пользуются зерна изометричной и уплощенной
форм, структура может быть названа лепидогранобластической.
Вторым типом структур метаморфических пород являются реликтовые структуры, характеризующиеся сохранением элементов структуры материнской породы. Так, в структурах гнейсов нередко сохраняется структура гранита, в метаморфизованных песчаниках и сланцах –
характерные структурные особенности осадочных пород, в амфиболитах
(метаморфизованных диабазах) –остатки диабазовой (офитовой) структуры и т. д. Обычно названия реликтовых структур образуют с помощью
приставки бласто-, поставленной перед названием структуры исходной
породы: бластопорфировая, бластогранитная, бластоофитовая и т. п.
Катакластические структуры образуются при тектоническом
дроблении (катаклазе) горных пород. Среди них различают гранокластические (равномернозернистые), порфирокластические (неравномер122
нозернистые) и цементные, когда в породе сохраняются крупные реликты первичных минералов, заключенные в мелкораздробленную массу.
Текстуры метаморфических пород подразделяют на реликтовые
и метаморфические. О реликтовых текстурах говорят в том случае, когда в породе сохраняется текстура исходной материнской породы. Так,
в метаморфизованных осадочных породах нередко сохраняется их слоистость. Характерной особенностью метаморфических структур является
их анизотропность, проявляющаяся в субпараллельной ориентировке
удлиненных и уплощенных зерен минералов и обусловленная ориентирующим воздействием на породы одностороннего давления, пластическим течением и анизотропностью сил роста кристаллов. В условиях одностороннего давления создаются благоприятные условия для развития
минералов, вытянутых в одном или двух направлениях (призматических,
игольчатых, волокнистых, пластинчатых, таблитчатых, листоватых),
а также для их упорядоченной переориентации в горных породах. В результате образуются следующие основные виды текстур: сланцеватая –
при однообразной ориентировке пластинчатых или удлиненных зерен;
полосчатая – при обособлении мономинеральных скоплений в виде полос; линейная – при линейном обособлении отдельных минералов или
их скоплений; плойчатая – когда минеральные обособления смяты
в мелкие складки; очковая или линзовидная, образованная линзовидными параллельно ориентированными скоплениями минералов, и некоторые другие. В некоторых породах, особенно контактово-метаморфических, наблюдаются массивные текстуры.
Важной текстурной особенностью метаморфических пород является
кливаж, т. е. способность породы раскалываться вдоль параллельных
плоскостей вторичного происхождения. Различают кливаж течения и
кливаж скольжения. Первый возникает в результате дифференциальных
движений при пластическом деформировании породы по сближенным
параллельным плоскостям. Способность горных пород раскалываться
обусловлена в этом случае параллельным расположением пластинчатых
123
(слюда, хлорит) и таблитчатых (дистен и др.) минералов, а также параллельным расположением плоскостей спайности в этих минералах.
Кливаж скольжения не зависит от внутренней структуры горной породы и сходен с трещиноватостью сколового типа. В породах, образовавшихся при метаморфизме осадочных пород, иногда выделяется кливаж напластования или сланцеватость напластований, когда кливажные
поверхности совпадают или параллельны напластованию в толщах пород.
Формы залегания метаморфических пород в абсолютном большинстве случаев наследуются от пород исходных. Исключение составляют
формы залегания контактово-метаморфических пород, представленные
контактовыми ореолами. Мощность контактовых ореолов в зависимости
от многих причин изменяется в широких пределах. Часто развитие контактово-метаморфических пород происходит на значительном удалении
от интрузива – вдоль зон тектонических нарушений или слоистости во
вмещающих породах.
6.3.2. Основные разновидности метаморфических пород
Продукты контактового метаморфизма
Роговик. Плотная порода с раковистым изломом. Структура гранобластовая (роговиковая), текстура массивная. В состав роговика могут
входить различные минералы: кварц, слюды, полевые шпаты, гранат
и др. Но вследствие тонкозернистой роговиковой структуры эти минералы обычно не определяются.
Продукты дислокационного метаморфизма
При дислокационном метаморфизме основным фактором является
одностороннее (стрессовое) давление, которое возникает при тектонических подвижках (взбросах, сдвигах, надвигах и т. д.).
124
Тектонические брекчии – сильно раздробленные породы, состоящие из угловатых обломков породы различных размеров, сцементированные тем же, но более мелкораздробленным материалом.
Катаклазит – сильнораздробленная, перетёртая горная порода, состоящая из деформированных, изогнутых, раздробленных зёрен минералов.
Милонит – более тонкоперетёртая горная порода. От катаклазита
отличается большей степенью раздробления минеральных зёрен и наличием линзовидно-полосчатой, сланцеватой текстуры, которая возникает
вследствие неоднократных разнонаправленных перемещений блоков породы. В результате образуются линзы грубораздробленного материала,
сцементированные тонкораздробленной полосчатой, частично перекристаллизованной массой. При более высоких температурах в зоне дислокационного метаморфизма происходит перекристаллизация и новообразование минералов, устойчивых при высоких давлениях, – кианита, пиропа, омфацита (пироксена). Примером может служить порода эклогит.
Эклогит – продукт метаморфизма высоких температур и очень высоких давлений. Исходными породами эклогитов являются основные
магматические породы. Состоят преимущественно из пироксена (омфацита) и граната (пиропа). Иногда отмечаются кианит и полевые шпаты.
Омфацит – тёмно-зелёного цвета, призматической формы. Гранат – пироп, образует крупные порфиробласты, красно-коричневого цвета.
Структура гранонематобластовая, текстура массивная, иногда слабосланцеватая. Кроме того, хорошо известно, что алмазы образуются
в трубках «взрыва», в кимберлитах при высоких давлениях. Минералами-спутниками алмазов служат те же омфацит и красный пироп.
Продукты регионального метаморфизма.
Продукты регионального метаморфизма отличаются большим разнообразием. Это обусловлено, во-первых, разнообразием исходного состава пород, во-вторых, термодинамическими условиями. Минеральный
125
состав мономинеральных пород не зависит от термодинамических условий, так как осуществляется перекристаллизация одного и того же минерала. К таким породам относятся мрамор и кварцит.
Мрамор – карбонатная порода, образующаяся при метаморфизме
известняков и доломитов и сложенная преимущественно кальцитом.
Мрамора высокой ступени метаморфизма лишь немногим отличаются от
мраморов низкой ступени. При увеличении температуры возрастает
крупность минеральных зёрен. В остальном породы идентичны. Чистые
разности мраморов имеют белый цвет, различные осадочные минеральные примеси окрашивают их в розовые (гематит), желтые (лимонит), серые (органическое вещество), зелёные (хлорит, эпидот) оттенки. Текстура массивная, реже полосчатая, структура гранобластовая.
Кварцит – горная порода, состоящая существенно из кварца, образуется при метаморфизме кварцевых песчаников и некоторых кислых
магматических пород (кварцевых порфиров). Так как кварц слабо реагирует на изменение термодинамических условий, фациальный уровень
того или иного кварцита, если нет других минеральных примесей, определить очень трудно; кварциты низких и высоких ступеней метаморфизма очень похожи. Цвет чистых кварцитов белый, в зависимости от
примесей с розовым, чёрным, желтым, зелёным оттенками. Текстура
массивная, структура гранобластовая. Внешне кварцит очень похож на
мрамор, но отличается от него следующими свойствами: твёрдостью
(кварцит царапает стекло, мрамор – нет), спайностью зёрен (у кальцита
совершенная спайность в трёх направлениях, у кварца - отсутствует), реакцией с соляной кислотой (мрамор «вскипает» в кислоте, кварцит не
реагирует).
Полиминеральные породы изменяют свой минеральный состав в зависимости от фациальных условий, поэтому эти породы будут рассмотрены в рамках минеральных фаций.
126
Фация зелёных сланцев
Филлит. Исходной породой филлитов являются аргиллиты (глинистые сланцы). Глинистые минералы в результате метаморфизма преобразовываются в кварц, серицит, иногда хлорит, альбит (полевой шпат),
часто с примесью графита. Так как зёрна очень мелкие, визуально минеральный состав не устанавливается, и внешне это тёмная , почти чёрная
(за счёт примеси графита) сланцеватая порода с шелковистым блеском
на плоскостях сланцеватости, обусловленным присутствием серицита.
Структура гранолепидоблабластовая, текстура сланцеватая.
Кварцево-серицитовый сланец является продуктом зеленосланцевой фации прогрессивного регионального метаморфизма и образуется
либо по аргиллитам (глинистым сланцам), либо по аркозовым песчаникам, или кислым магматическим породам. Основными минералами являются кварц, серицит, альбит (полевой шпат). В зависимости от исходного состава пород могут присутствовать хлорит, эпидот или карбонаты.
Размер зёрен невелик (до 0,5 мм), поэтому отдельные минералы выделяются с трудом. Цвет породы светло-серый, иногда с зеленоватым оттенком (за счёт хлорита и эпидота); на плоскостях спайности шелковистый блеск, обусловленный присутствием серицита. Текстура сланцеватая, иногда плойчатая, структура гранолепидобластовая.
Хлоритовый (зелёный) сланец – продукт зеленосланцевой фации
регионального прогрессивного метаморфизма основных магматических
пород. Это сланцеватые зелёные породы, цветом своим обязаны обилию
одного или более зелёных минералов (хлорита, эпидота или актинолита),
из других минералов практически всегда отмечаются альбит (полевой
шпат) и кварц. Структура породы гранолепидобластовая.
Тальковый сланец образуется за счёт низкотемпературного гидротермального метаморфизма ультраосновных магматических пород (перидотитов и серпентинитов). Основным минералом является тальк (не
127
менее 75 %, обычно 90 %), могут присутствовать актинолит, серпентин,
карбонаты. Текстура сланцеватая, структура лепидобластовая.
Эпидот-амфиболитовая фация
Слюдяной (кристаллический) сланец – продукт регионального метаморфизма эпидот-амфиболитовой фации. Исходными породами кристаллических сланцев могут быть осадочные (аргиллиты и песчаники)
и кислые магматические породы. Основными минералами этих сланцев
являются биотит, мусковит, кварц, полевые шпаты. Причём в сланцах
преобладают слюды (биотит и мусковит), поэтому для них характерна
грубая рассланцованность. Помимо этих минералов в кристаллических
сланцах, как правило, присутствуют порфиробласты граната, кианита,
ставролита и других минералов. Текстура сланцеватая, структура порфиробластовая, лепидогранобластовая, гранолепидобластовая.
Амфиболитовая фация
Гнейсы – продукты дальнейшего метаморфизма слюдяных кристаллических сланцев, т. е. исходными породами гнейсов являются осадочные и кислые породы. Главные минералы гнейсов – кварц, полевые
шпаты, слюды (биотит, мусковит) и роговая обманка; могут присутствовать гранат, кианит и др. Наиболее характерным отличием гнейсов от
кристаллических сланцев является гнейсовая (полосчатая) текстура –
чередование светлых кварцево-полевошпатовых и тёмных биотитовороговообманковых прослоев. Такая расслоённость является результатом
метаморфической дифференциации. Структура лепидогранобластовая.
Амфиболит – типичная порода амфиболитовой фации регионального метаморфизма, производная от основных магматических пород.
Сложена преимущественно роговой обманкой и плагиоклазом. Могут
присутствовать в небольших количествах гранат, биотит и кварц. Тек128
стура визуально массивная, но под микроскопом заметна ориентировка
призм роговой обманки. Нередко наблюдается полосчатая гнейсовая
текстура. Структура нематогранобластовая или гранонематобластовая.
Гранулиты представляют собой среднезернистую до крупнозернистой по облику породу, состоящую в основном из калиевого полевого
шпата, натриевого плагиоклаза, пироксена, кварца, граната и других минералов. Гранулиты похожи на гнейсы, но, поскольку в них нет слюды,
эти породы имеют массивную текстуру. Структура породы преимущественно гранобластовая.
Как уже отмечалось, метасоматоз – это процесс преобразования
горных пород, происходящий с изменением химического состава, при
котором растворение старых минералов и отложение новых происходит
почти одновременно, так что в течение процесса замещаемые горные
породы всё время сохраняют твёрдое состояние.
Основным фактором метасоматоза являются гидротермальные растворы, имеющие ту или иную минерализацию. В зависимости от минерализации растворов выделяются известковый, магнезиально-железистый и др. типы метасоматоза.
Скарн – контактово-метасоматическая порода, образующаяся на
контакте мраморов или известняков и кислых магматический пород.
В зоне контакта под действием высоких температур магматического
очага на начальной стадии образуются роговики, которые при дальнейшей их обработке высокотемпературными растворами преобразуются
в метасоматическую породу скарн. Растворы имеют высокую минерализацию и пропитывают эндо- и экзоконтакты интрузии. В мраморы, известняки из интрузии мигрируют элементы: Fe, Mg, Si, A1 и др., а растворы обогащаются Са и СО2 . В результате взаимодействия этих растворов происходит образование новых минералов граната (андрадита),
кальцита, везувиана, эпидота, роговой обманки и актинолита. Очень
часто скарны имеют повышенное содержание рудных минералов: магнетита, сульфидов, иногда золота. Все крупнейшие на Урале месторожде129
ния железа, на базе которых выросли такие города, как Н-Тагил, Екатеринбург, являются скарново-магнетитовыми.
В целом для скарнов характерны следующие признаки: разнообразие и непостоянство минерального состава; резкое изменение размера
зерен даже в пределах одного штуфа; обязательность граната и кальцита, частое наличие рудных минералов (магнетита и др.). Структура гранобластовая, текстура массивная.
Серпентиниты – гидротермально изменённые ультраосновные
породы (дуниты, перидотиты). Серпентинитизация может быть как автометаморфической, т. е. вызванной гидротермами самой интрузии, так
и аллометаморфической, связанной с воздействием на ультраосновные
породы гидротерм других, более молодых интрузий.
Сущность процесса серпентинизации заключается в замещении
первичных безводных Fe-Mg-силикатов (оливина, пироксена) водным
силикатом Mg (серпентином) и вторичным окислом Fe (магнетитом).
Цвет породы тёмно-зелёный, пятнистый. Текстура массивная, структура
лепидогранобластовая.
Листвениты – конечный продукт единого процесса гидротермального преобразования ультраосновных пород, состоящего из трёх стадий:
серпентинизации, карбонатизации и лиственизации. Гидротермы, вызвавшие серпентинизацию ультраосновных пород, с понижением температуры обогащаются углекислотой (СО2), что вызывает интенсивную
карбонатизацшо серпентинов с образованием талька и карбоната Mg. На
следующем этапе, когда весь серпентин заместился тальком и карбонатом, начинается карбонатизация талька. Освобождающаяся при этом
кремнекислота (SiO2) выделяется в виде кварца. В результате образуется
кварцево-карбонатная порода – лиственит. Характерна примесь золотоносного пирита, поэтому листвениты используются как поисковый признак на золото. Текстура массивная, структура гранолепидобластовая.
Березиты – гидротермально изменённые кислые магматические
породы, в которых полевые шпаты под воздействием гидротерм были
130
замещены серицитом, состоят из кварца и серицита с постоянной примесью часто золотоносного пирита. Цвет серый с желтыми оттенками.
Структура гранолепидобластовая, текстура массивная.
6.4. Роль процессов метаморфизма в образовании
и изменении месторождений полезных ископаемых
При процессах метаморфизма происходит не только преобразование
горных пород, они существенно влияют также на условия залегания
и морфологию тел полезных ископаемых, их вещественный состав
и структурно-текстурные особенности.
В первую очередь при метаморфизме изменяются минеральный
и химический состав полезных ископаемых и их физические свойства.
Как правило, при метаморфизме образуются минералы с меньшим
удельным объемом, но с повышенной плотностью.
Наряду с изменением состава происходит изменение первичных
структур и текстур руд. Структуры, как правило, становятся кристаллическими, среди текстур преобладают сланцеватые, полосчатые, плойчатые, брекчиевые.
Все месторождения полезных ископаемых, формирование которых
связано с процессами метаморфизма, называются метаморфогенными.
Среди них различают метаморфизованные и метаморфические.
Метаморфизованные месторождения возникают за счет изменения ранее существовавших месторождений различного генезиса. Чаще
всего метаморфизму подвергаются экзогенные месторождения, образовавшиеся осадочным путем. При этом в метаморфизованных месторождениях железа и марганца за счет образования простых оксидов вместо
водосодержащих, как правило, возрастает процентное содержание полезных металлов, в железных рудах уменьшается содержание фосфора,
являющегося вредной примесью. В связи с процессами динамометаморфизма первично осадочные пластовые тела месторождений железных
131
и марганцевых руд подвергаются сложной складчатости, рассланцеванию, а иногда трещиноватости и дроблению. По мнению ряда исследователей, вследствие воздействия динамометаморфизма на медноколчеданных месторождениях Урала изменились формы рудных тел, образовались полосчатые текстуры руд и произошла их перекристаллизация.
Метаморфические месторождения представляют собой измененные горные породы, которые вследствие процессов метаморфизма приобрели новые полезные качества и превратились в месторождения полезных ископаемых. Эти месторождения представлены в основном неметаллическими полезными ископаемыми: месторождения мраморов,
кварцитов, кровельных сланцев, дистена, графита, яшмы и др.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие выделяются виды метаморфизма?
2. Какие факторы обусловливают метаморфизм?
3. По каким признакам выделяются метаморфические фации?
4. Какие метаморфические породы Вам известны?
5. Месторождения каких полезных ископаемых образуются в процессе
метаморфизма горных пород?
132
Глава 7
ЭКЗОГЕННЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
7.1. Основные виды экзогенных геологических процессов
Экзогенные геологические процессы в отличие от эндогенных протекают в самых верхних слоях земной коры на её границе с внешними геосферами Земли. Их энергетической основой является энергия солнечной
радиации и сил гравитации. Экзогенные процессы протекают при нормальных значениях температуры и давления по эндотермической схеме с поглощением тепла и направлены на дифференциацию вещества земной коры. Выделяют четыре группы (стадии) экзогенных геологических процессов: выветривание, денудацию, аккумуляцию, диагенез.
Выветривание (нем. «ветер» – погода) представляет собой процесс
глубокого изменения магматических, метаморфических и осадочных горных пород и минералов, оказавшихся неустойчивыми в условиях земной
поверхности. Изменение физического и химического состояния первичных минералов и горных пород происходит в месте их залегания в результате физического, химического и биологического воздействия воды, углекислого газа, различных минеральных и органических кислот, живых организмов, а также непосредственного воздействия солнечной радиации.
Денудация (лат. «денудацио» – обнажение) – это совокупность процессов удаления (сноса и переноса) продуктов выветривания с места их образования и непосредственного разрушения горных пород агентами денудации (силы гравитации, воды континентов, морей и океанов, ветер, ледники). Перемещая материал с возвышенностей в пониженные участки рельефа, денудационные процессы приводят к разрушению земной поверхности
и образованию выровненных форм рельефа.
Аккумуляция (осадконакопление) – геологические процессы, в результате которых рыхлые продукты разрушения первичных горных пород
133
накапливаются в понижениях рельефа: в речных долинах, озёрах, болотах,
морях и океанах.
Диагенез (перерождение) представляет собой сложный процесс преобразования продуктов экзогенной деятельности (осадков) в осадочные горные породы под влиянием гравитационных сил и изменения физикохимических условий в приповерхностной части земной коры.
Все экзогенные геологические процессы тесно взаимосвязаны. Благодаря выветриванию происходит подготовка материала для денудации, а сами продукты выветривания, оставшиеся на месте, являются материалом
для образования новых горных пород. В то же время продукты аккумуляции могут вновь подвергнуться процессам выветривания и денудации.
Характер и интенсивность экзогенных процессов зависят от многих физико-географических и других факторов. Важнейшими из них являются
тектонические движения земной коры, геологическое строение района,
рельеф, климатические условия и время.
Основными результатами экзогенных геологических процессов являются изменения вещественного состава верхней части земной коры,
дифференциация вещества по физическим и химическим свойствам, создание толщ осадочных горных пород и форм рельефа земной поверхности. Благодаря экзогенным процессам формируются почвы и полезные
ископаемые. Около 60 % мировой добычи полезных ископаемых связано
с продуктами экзогенной деятельности.
Вместе с тем разрушения берегов рек, озёр и морей, обвалы, оползни, снежные лавины, размыв и разрушение склонов, рост оврагов и заболачивание территорий – это также результаты деятельности экзогенных
геологических процессов, приносящие значительный ущерб человеческому обществу.
134
7.2. Выветривание
Выветриванием называется процесс физического разрушения и химического разложения горных пород, находящихся на дневной поверхности или вблизи нее, под действием атмосферных факторов при активном участии микроорганизмов.
В зависимости от факторов, действующих на горные породы, различают физическое, химическое, органическое выветривание.
Физическое выветривание выражается в измельчении горных пород
и превращении их в скопление рыхлых образований. При повышении
температуры горная порода расширяется, при охлаждении – сжимается.
Так как горные породы по своему составу неоднородны и каждая составляющая ее частица (минерал) характеризуется своими коэффициентами объемного и линейного расширения, то регулярные (например, суточные) изменения температуры нарушают механическую связь между
отдельными частицами породы, и последняя разрушается. Чем мельче
и однороднее частицы пород, тем они устойчивее по отношению к процессам физического выветривания. На интенсивность физического выветривания влияют также окраска (темные породы разрушаются быстрее), строение (однородные породы более устойчивы, чем неоднородные, сланцевые), минеральный состав пород (породообразующие минералы имеют неодинаковое термическое расширение).
Кроме температурного фактора на физическое разрушение пород оказывает влияние вода, проникающая в трещины. При замерзании объем воды увеличивается и она раздвигает частицы породы, вызывая появление
новых трещин и дальнейшую дезинтеграцию, разрушение пород. Этот вид
разрушения горных пород называется морозным выветриванием.
В условиях жаркого климата, в особенности в пустынях, где отсутствует растительный покров, нагревание и охлаждение также способствуют
разрушению горных пород. Большую роль при этом играет кристаллизационная вода. Днём, при повышении температуры, кристаллизационная
135
влага вытягивается из минералов, разрушая кристаллы. Ночью, при охлаждении, минерал вновь притягивает влагу, кристаллизуется, придавая
данному химическому соединению прежний вид. Кристаллизация и разрушение кристаллов сопровождаются изменениями объёмов; неоднократно повторяясь, эти процессы приводят к разрушению пород.
При содержании в воде гигроскопических солей, например хлористого натрия, процесс разрушения (особенно некоторых пористых пород,
в капиляры которых попадают растворы солей) ускоряется; при кристаллизации соль увеличивается в объёме, расширяя стенки трещин.
Химическое выветривание связано с присутствием воды и ее растворяющим, разлагающим действием. Воды, циркулирующие в горных породах вблизи дневной поверхности, всегда содержат то или иное количество растворенного кислорода, углекислого газа, органических кислот, что делает их достаточно агрессивными. Сущность химического
выветривания заключается в изменении химического состава минералов,
неустойчивых в поверхностных условиях, с образованием новых, вторичных минералов.
Основными химическими реакциями, обусловливающими химическое
выветривание, являются окисление, гидратация, растворение и гидролиз.
Окисление связано с переходом одних соединений в другие и сопровождается присоединением кислорода. В результате окисления образуются новые минералы, устойчивые в зоне выветривания. Примером
может служить окисление пирита и переход его в лимонит.
Гидратация характеризуется образованием новых водных соединений в результате поглощения, присоединения воды (например, переход
ангидрита в гипс).
Растворение очень широко распространено в природе. Оно особенно
интенсивно проявляется в карбонатных породах и приводит к образованию специфических форм рельефа – карстовых пустот.
Гидролиз – это процесс обменного разложения минералов под влиянием воды и углекислоты. Особенно широко подвергаются гидролизу
136
полевые шпаты. Вода, содержащая углекислоту, выщелачивает из полевых шпатов калий, натрий и кальций и уносит их в виде карбонатных
растворов. При этом выделяется кремнезем, служащий материалом для
образования опала и халцедона, а силикат глинозема, соединяясь с двумя
молекулами воды, образует каолинит.
Органическое выветривание происходит под влиянием кислот, выделяемых микроорганизмами и низшими растениями. Органические кислоты усиливают, ускоряют процесс химического разложения горных
пород. На разрушенной, взрыхленной микроорганизмами поверхности
горных пород поселяются низшие и высшие растения, корневая система
которых проникает еще глубже, раскалывая, дезинтегрируя породу. Физическому разрушению породы способствуют также роющие животные
и черви. Таким образом, можно различать физическое и химическое разрушение пород организмами.
В процессе выветривания возникают две группы продуктов выветривания: подвижные, которые уносятся с места разрушения на то или иное
расстояние, и остаточные, остающиеся на месте первоначального залегания материнских пород. Остаточные продукты выветривания представляют собой один из важнейших генетических типов континентальных образований и называются элювием. Элювий чаще всего состоит из
плохо отсортированных смесей щебня, дресвы, песка и глин и представляет собой разрыхлённую массу, по вещественному составу тесно
связанную с составом подстилающих горных материнских пород. Элювий, в образовании которого основная роль принадлежит биохимическим агентам выветривания, а в составе преобладают органические вещества (гумус), называется почвой.
Комплекс различных по составу остаточных продуктов выветривания, возникших в результате преобразования в континентальных условиях магматических, метаморфических и осадочных горных пород, называется корой выветривания.
137
Стадии развития и зональность коры выветривания. Наиболее
благоприятными условиями для формирования мощной коры выветривания являются относительно выровненный рельеф поверхности материнских пород в сочетании с жарким влажным климатом и обилием органических веществ. В молодых горных сооружениях, отличающихся активными тектоническими поднятиями и активными процессами выноса разрушенного материала, за которыми «не успевают» процессы выветривания, образуются маломощные коры выветривания, так же как и в зонах
с нивальным и аридным климатом.
Выделяют четыре стадии развития коры выветривания:
– стадия преобладания физического выветривания и накопления
продуктов грубого механического разрушения;
– стадия обызвесткования и удаления в процессе гидролиза легкорастворимых компонентов, преимущественно серы и хлора, сопровождающихся гидратацией минералов и окислением серных соединений;
– стадия образования остаточных глин - каолинов и выноса из материнских пород кальция, калия и магния;
– стадия образования латеритов.
По мере развития коры выветривания в глубину наблюдается ряд
последовательных переходных зон от свежих неизменённых коренных
пород к продуктам полного химического разложения. Наиболее характерны четыре зоны (рис. 25):
I. Монолитная (скрытотрещиноватая) зона, отвечающая такому состоянию материнской породы, когда она ещё не имеет видимых признаков дробления, но уже претерпела расшатывание связей между составляющими её минералами.
II. Глыбовая зона, характеризующаяся наличием трещин выветривания, способствующих расчленению породы на отдельные глыбы,
химико-минеральный состав отвечает составу материнской породы.
III. Зернистая или мелкообломочная зона, состоящая из мелких обломков или отдельных минеральных зёрен.
138
IV. Зона тонкого дробления или глинистая зона, в основном сложенная вторичными минералами с примесью тонкораздробленных первичных минералов.
Рис. 25. Принципиальная схема строения кор выветривания
в различных климатических зонах
(пояснения в тексте)
Границы между зонами неровные, неотчётливые и могут перемещаться в глубину по мере развития коры выветривания.
Типы кор выветривания. В зависимости от климатической обстановки процессы выветривания протекают с различной интенсивностью,
в связи с чем образуются различные типы кор выветривания (см. рис.
25). В областях полярного и нивального климата господствует морозное
выветривание. Образуется обломочный материал, по степени раздробленности подразделяющийся на три зоны: монолитную (скрытотрещиноватую), глыбовую и щебенистую, переходящую в дресвяно-песчанис139
тую. Последняя представлена неизменёнными мелкообломочными минералами первичных пород.
В условиях умеренно тёплого, умеренно влажного климата в результате более интенсивного химического выветривания формируется зона
(IV), сложенная глинистым материалом преимущественного гидрослюдистого состава.
В условиях жаркого климата с умеренной влажностью за счёт химического преобразования минерального вещества мощность глинистой
зоны возрастает до 15-25 м. При этом в зависимости от состава материнских пород сама зона приобретает зональное строение.
Так, в коре выветривания ультраосновных магматических пород выделяются подзоны монтмориллонитов (IVa) и нонтронитов (IVб); в коре
выветривания основных пород – подзона гидрослюд (IVa), монтмориллонитов (IVб) и каолинитов (1Vв); в коре выветривания кислых и средних пород – подзона гидрослюд (IVa) и каолинитов (IVб)/ Мощность зоны физического выветривания в общем разрезе коры выветривания сокращается до 10-15 м.
В условиях жаркого и влажного климата тропиков и субтропиков
мощность кор выветривания достигает 40-60 м и более. В верхней части
коры в результате интенсивного гидролиза алюмосиликатов происходит
накопление оксидов и гидроксидов алюминия и железа и отчасти кремния (V). Вследствие этого аллювий в сухом состоянии напоминает по
твёрдости обожженный кирпич, окрашенный в красный цвет. Поэтому
такие зоны выветривания называют латеритными (лат. «латер» – кирпич). По минеральному составу и физико-механическим свойствам латеритная кора выветривания подразделяется на подзоны краснозёмов (Va)
и плотных пород крупно- и мелкообломочного строения, напоминающих панцирь и называемых кирассами (Vб). Мощность зоны латеритов
может достигать 15-20 м.
В областях аридного (сухого) климата пустынь и полупустынь, где
из-за недостатка воды миграция активных веществ очень ограничена,
140
элювиальный покров формируется в основном вследствие физического
выветривания. Продуктами выветривания здесь являются, как и в зоне
с нивальным климатом (мощность коры выветривания значительно
меньше), скопления обломочного материала (зоны I-III) – глыбы, щебень, дресва, песок. Химическое выветривание проявляется локально,
в виде корок пустынного загара, гипсовых корок и солончаков.
Морфология коры выветривания. По условиям образования и форме коры выветривания подразделяют на площадные и линейные. Площадная кора выветривания развита на больших площадях и чехлом покрывает материнские породы, за счёт которых она образовалась. Пластообразные по форме, зональные по строению площадные коры выветривания по размерам колеблются от нескольких десятков до тысяч метров в поперечнике при мощности от десятков сантиметров до первых
десятков метров (рис. 26).
Рис. 26. Зоны площадной коры выветривания (разрез):
1 – покровные породы; 2 – охристо-глинистые породы; 3 – нонтронитизированный
серпентинит со скоплением никелевых минералов; 4 – разложенный серпентинит
со скоплением минералов никеля; 5 – выветрелый серпентинит
Линейные коры выветривания возникают вдоль систем трещин или
на контакте разных по составу горных пород и имеют форму жилообразных тел (рис. 27). Такие тела протягиваются по простиранию на сотни метров, а на глубину – несколько десятков метров, реже на 100-200 м.
141
Рис. 27. Зоны линейной коры выветривания
(схематический разрез Черемшанского месторождения):
1 – делювиальные глины; 2 – выщелоченные серпентиниты; 3 – охристо-кремнистые
образования по серпентинитам; 4 – выветрелые серпентиниты; 5 – сланцы;
6 – тектонические нарушения; 7 – контуры рудных тел
По времени образования коры выветривания подразделяются на современные и древние, или ископаемые. Наибольшая мощность и дифференцированность элювиальных образований, их вертикальная зональность наблюдается в древних корах выветривания, сформированных
в различные по длительности этапы континентального развития земной
коры. С древними корами выветривания связаны комплексы минералов
и полезных ископаемых, таких как бокситы, каолин, гидроксиды никеля
и кобальта, оксиды и гидроксиды железа, марганца, опалы, магнезиты,
гипсы и др. В настоящее время древняя кора выветривания сохраняется
в тех участках рельефа, где на ней залегают более молодые породы, предохраняющие её от размыва.
7.3. Геологическая деятельность ветра
Геологическая работа ветра выражается в физическом разрушении
горных пород, образовании рыхлого обломочного материала, его транспортировке и отложении, или аккумуляции.
142
Прежде всего действие ветра приводит к развеиванию, выдуванию
образовавшихся в результате выветривания продуктов разрушения коренных пород. Эта работа по выдуванию называется дефляцией. Одновременно с выдуванием ветер производит и разрушительную работу.
Постоянно бомбардируя выходы коренных пород переносимыми им частицами, ветер обтачивает и разрушает их. Процесс этот происходит
очень интенсивно, так как продукты разрушения, которые могли бы защитить породу, сразу же выдуваются. Эта деятельность ветра по обтачиванию горных пород называется корразией.
Совокупное проявление дефляции и корразии создает оригинальные
формы рельефа земной поверхности, которые бывают положительными
и отрицательными. Крупные положительные формы рельефа – гребни,
вершины и отроги, а отрицательные – долины, ущелья, котловины выдувания. Из мелких форм, которые придают своеобразие местности, различают положительные формы (башни, столбы, иглы, различные причудливые фигуры) и отрицательные (ниши, карманы, трубы, соты, ячеи).
Продукты разрушения горных пород переносятся ветром нередко на
значительные расстояния. При этом размеры частиц, переносимых ветром, определяются его скоростью. Чем больше скорость, тем крупнее
обломочный материал, а расстояние – дальше.
С ослаблением силы ветра, а также в зависимости от рельефа местности, наличия растительности и других факторов происходит отложение
обломочного материала. Образующиеся песчано-алеврито-глинистые
породы называются эоловыми отложениями.
К положительным формам эоловой (ветровой) деятельности относятся барханы и дюны.
Барханами называются распространенные в пустынях песчаные
холмы серповидной формы, заканчивающиеся по бокам остроугольными «рогами», вытянутыми в направлении движения ветра (рис. 28). Бархан образуется следующим образом. После сильного ветра в пустыне на
поверхности возникают небольшие скопления песка высотой 35-40 см.
143
Ветер, встречая препятствия, на подветренной стороне образует завихрение, которое приводит к образованию полуворонок. Этот момент
и является временем зарождения бархана. Бархан разрастается до 4-5 м в высоту и до 40-70 м в поперечнике. Когда
развивается сложная групповая цепь
барханов, то высота песчаных возвышенностей достигает 70-100 м.
Цепи барханов передвигаются ветром со скоростью до 12 м в месяц. Ветер
гонит песок вдоль пологого наветренного склона, наращивая крутой подветренный склон. Причина образования бархаРис. 28. Барханы:
а – строение; б – внешний вид.
нов – появление на пути движения ветра
Склоны: 1 – наветренный;
препятствия, вызывающего его торможе2 – подветренный; стрелка
показывает направление ветра
ние и завихрение.
Дюнами называются песчаные холмы на берегах морей, озер и рек,
нанесенные ветром, дующим по направлению к берегу. «Рога» у дюн
обычно направлены не вперед, как у барханов, а назад по отношению
к движению дюн. Это связано с тем, что на окраинах дюны песок снизу
пропитан водой, поэтому сухая высокая центральная часть дюны легче
перемещается ветром. Дюны, как и барханы, имеют пологий наветренный и крутой подветренный склоны. На морских берегах дюны достигают в высоту 20-30, а иногда и 100 м. Скорость движения дюн от 1 до
20 м в год в зависимости от режима ветра, рельефа и т. д.
Дюны развиты на берегах Балтийского моря, озерные дюны – на берегах Аральского, Ладожского и других озер, речные – по берегам Волги, Дона, Днепра.
Движущиеся пески представляют собой бич для окрестного населения. Они засыпают посевы, жилища, оросительные системы. На берегах
Балтийского, Северного морей и Атлантического океана немало погиб144
ших таким образом лесов и жилищ. Движение песков стараются остановить посадками кустов, трав, растений, связывающих почву корнями.
Мало-помалу цепи дюн можно превратить в сплошные заросли и совершенно остановить их движение.
В образовании барханов и дюн основным материалом является песок. Кроме песка, ветер переносит и более тонкий материал разрушения
и пыль. Благодаря своей легкости она переносится на большие расстояния, но в конце концов оседает на землю вместе с дождем и снегом. Основными поставщиками песка являются пустыни, где из-за отсутствия
растительного покрова и резких колебаний температур интенсивно развивается физическое выветривание. К тому же в пустынях дуют частые
ветры, которые обычно направлены из центра к окраинам, очищают пустыню, "выметают" ее, удаляют продукты выветривания на окраины. Не
будь ветров, все холмы и горы в пустыне были бы давно погребены под
мощным чехлом продуктов выветривания. Между тем в пустынях чаще,
чем в местах с влажным климатом, встречаются выходы обнаженных
коренных пород.
На окраинах пустынь накапливаются песчаные, более грубые продукты выветривания, а дальше, за пределами пустынь, где имеется растительность и выпадают дожди, осаждаются пылинки, образуя лёсс, или
желтозем.
Лёсс распространен в Средней Азии, на Украине, занимая более 14 %
континентальной поверхности.
7.4. Геологическая деятельность поверхностных вод
Геологическая деятельность поверхностных текучих вод выражается
в разрушении горных пород (эрозия), переносе осадочного материала
(транспортировка) и его накоплении (аккумуляция).
Среди текучих вод следует различать: дождевые и талые воды; временные водотоки и реки.
145
7.4.1. Плоскостной смыв
Дождевые и талые воды производят плоскостной смыв рыхлого осадочного материала, образовавшегося в результате выветривания. Причиной такого смыва является поверхностный сток атмосферных осадков.
Дождевые и талые воды распределяются по поверхности склона более
или менее равномерно. Сила воды этих струек невелика, поэтому происходит смыв самых тонких, мелких частиц продуктов выветривания.
У основания склона вследствие выполаживания наклона его поверхности
и собственно уменьшения скорости течения эти частицы оседают. Таким
образом, у подножий склонов накапливается покров осадков, который
называют делювием. Делювиальные отложения залегают в виде шлейфа
с наибольшей мощностью у основания склона. Иногда мощность делювия достигает 15-20 м. Делювиальный шлейф не является однородным.
В его вершине отлагается грубый материал – песчаный, ниже все более
мелкий и в конце шлейфа – тонкие пылеватые и глинистые частицы.
7.4.2. Деятельность временных водотоков
Не менее часто поверхностный сток атмосферных осадков осуществляется в форме линейно направленных потоков в рытвинах, оврагах
и речных долинах. Из-за неровности склонов отдельные тонкие струйки
сливаются друг с другом, образуя более мощные струи, обладающие
большой силой. Такие струи быстро разрушают склон, в результате чего образуются промоины или рытвины. Во время дождя или таяния снега в таких рытвинах накапливаются атмосферные осадки, под действием
которых промоины начинают углубляться, расти в ширину и вверх по
уклону. Этот процесс разрушения называется эрозией. Со временем
рытвины превращаются в овраги. Если дно оврага достигает уровня
грунтовых вод, то в русле возникает постоянный водоток – ручей, что
146
приводит к дальнейшему углублению, расширению и удлинению оврага
и превращению его в речную долину.
При обильных дождях или массовом таянии снега рытвины, вымоины заполняются водой, бурно стекающей вниз по склону. Эти временные потоки несут много песка, щебня, а порой валуны и глыбы. При
выходе на предгорную равнину от резкого падения скорости движения
воды временный водный поток разливается по равнине в виде веера и
откладывает весь принесенный материал. Так образуется конус выноса.
В конусах выноса часто наблюдается закономерная сортировка материалов по крупности обломков. Отложения конусов выноса выделяются в самостоятельный генетический тип континентальных отложений
– пролювий. Мощность пролювиальных отложений достигает сотен
и первых тысяч метров. В них наряду с грубообломочным материалом
в местах выходов потоков из гор встречаются тонкозернистые лессовые
отложения, торфяные залежи, а в засушливых районах - солончаки.
Пролювиальные отложения широко развиты среди древних континентальных образований. Каждый раз, когда поднимались горные цепи,
на предгорных равнинах накапливались мощные толщи продуктов размыва этих гор, которые называются молассами. Например, мощность
моласс Ферганской долины достигает 5 км.
7.4.3. Геологическая работа рек
Постоянные водотоки, или реки, совершают огромную работу по
разрушению горных пород, транспортировке продуктов разрушения и их
аккумуляции. Разрушительная деятельность рек выражается в глубинной
(донной) и боковой эрозии. Глубинная эрозия преобладает в начальную
стадию развития рек. Водный поток в этот период времени стремится
выработать профиль дна применительно к уровню озера или моря, в которые впадает река. Этот уровень называется базисом эрозии. Глубинная эрозия особенно велика в горных районах, где реки нередко проре147
зают глубокие долины с отвесными склонами, которые называются
ущельями, или каньонами. На следующей стадии река имеет уже более
выработанное ложе. В результате боковой эрозии долина реки расширяется и заполняется речными отложениями.
Эрозионная деятельность реки прекращается тогда, когда устанавливается равновесие между эрозией и прочностью пород. Кривая дна реки,
на всем протяжении которой установилось такое равновесие, называется
продольным профилем равновесия (рис. 29).
Рис. 29. Продольный профиль равновесия:
А – верховья реки; Б – базис эрозии; АБ – первоначальное положение долины;
АабБ, Аа1б1Б – Аа2б2Б – последующие положения; Аб2б1Б – продольный профиль равновесия
Рис. 30. Строение долины реки:
а, б, в – последовательные стадии
развития речной долины; Р – русло;
П – пойма: I, II – надпойменные террасы
В заключительную стадию развития реки продольный профиль ее русла достигает предельного профиля
равновесия и скорость течения уменьшается. Долина реки становится широкой с многочисленными меандрами
и старицами, склоны долины пологими, дно реки плоским, заполненным
аллювиальными – обломочными речными отложениями. При понижении
базиса эрозии происходит омоложение реки – усиливается глубинная эрозионная деятельность, русло спрямляяется. Аллювиальные отложения,
148
слагающие пойму реки, оказываются выше новых пойменных осадков
при новом базисе эрозии. Неразмытые остатки древних пойм образуют
ступенчатые уступы, называемые надпойменными террасами (рис. 30).
Аллювиальные отложения, или аллювий, отличаются от других продуктов разрушения (элювия, делювия) своей сортированностью и окатанностью. В аллювиальных отложениях часто концентрируются вымытые из коренных пород ценные минералы. Такие скопления минералов в
речных отложениях называются аллювиальными россыпями, или россыпными месторождениями полезных ископаемых: золота, алмазов, рубинов, касситерита, ильменита, рутила и др.
7.4.4. Геологическая деятельность озёр
Озерами называются замкнутые впадины на поверхности суши, заполненные водой. По составу воды озера делятся на пресные и соленые.
По химическому составу соленые озера подразделяют на карбонатные
или содовые, сульфатные, хлоридные.
Геологическая деятельность озёр близка к деятельности морей и
обычно уступает ей лишь по масштабам проявления. Для берегов озёр
характерна озёрная абразия, которая в случае крупных озёр (например,
Каспийского моря) вполне соизмерима по масштабам с морской. Озёрные течения транспортируют приносимые в озеро обломки пород; на
дне озёр происходит накопление обломочных, органогенных и хемогенных пород. Однако отличительной особенностью озёрных осадков является тонкая слоистость, обусловленная сезонными колебаниями температуры, которые определяют смену условий осадконакопления.
Обломочные осадки озёр в основном приносятся реками; образуются
они также при разрушении берегов и дна озёр. В литологическом отношении обломочные осадки представлены илами, песками, гравием,
галькой. При уплотнении осадков образуются песчаники, конгломераты,
брекчии и т. д.
149
Органогенные осадки озёр, как правило, представлены скоплениями
раковин, органогенными илами. Из этих осадков образуются известняки,
горючие и битуминозные сланцы, сапропелевые угли и другие горючие
полезные ископаемые.
Сапропель, или гнилостный ил, представляет плотную, текучую
массу, при подсыхании резиноподобную. Он состоит из накопленных на
дне озера планктонных форм, смешанных с механическими частичками
грунта. Сапропель не простая механическая смесь, а новый продукт, качественно отличный от исходных веществ, результат сложнейших биохимических и физико-химических превращений. В сапропеле много
жиров, восков, белков и мало клетчатки, преобладающей в торфе. Характерной особенностью сапропеля являются идущие в нем восстановительные процессы. Ржавый нож, опущенный в сапропель, через небольшой промежуток времени освобождается от ржавчины (в торфе тот же
нож ржавеет ещё больше).
Рис. 31. Схема зарастания озера (по В. Р. Вильямсу):
а – минеральное дно озера; б – в – известковый сапропелевый ил; г – землистый торф;
д – камышово-тростниковый торф;
1 – свободно плавающие водные растения; 2 – рдесты и кувшинки; 3 – камыши;
4 – рогоз; 5 – тростник; 6 – крупные осоки; 7 и 8 – корневищные злаки; 9 – злаки
150
Озёра, расположенные на восточном склоне Среднего Урала и Западно-Сибирской низменности, содержат залежи сапропеля мощностью
до 10 м. В одном из таких озёр, у посёлка (курорта) Молтаево, запасы
сапропеля составляют около 8 млн т.
При сухой перегонке из сапропеля отгоняется густая маслянистая
жидкость, напоминающая нефть.
Химические осадки откладываются главным образом в бессточных
озёрах. Вода таких озёр обычно насыщена NaCl, MgCl, содержит
CaSO4, MgSO4, Na2SO4, K2SO4, СаСl и другие соли. В сухое время года,
когда значительная часть воды в озере испаряется, происходит интенсивное выпадение солей в осадок.
В озёрах нередко осаждаются железные руды – бурые железняки.
Озёрные водоёмы в масштабах геологического времени обычно недолговечны. Большинство из них заносятся осадками, а затем, зарастая
растительностью, превращаются в болота (рис. 31).
7.4.5. Геологическая деятельность болот
Болотами называют участки земной поверхности с избыточным увлажнением почвы и поверхностных горных пород и развитием болотной
растительности. Они достаточно широко развиты на поверхности суши,
занимая площадь около 175 млн га; 72,6 % этой площади находится на
территории нашей страны.
По данным В. Н. Сукачёва, все болота могут быть поделены на две
группы: болота грунтового питания и болота атмосферного питания.
Наиболее активно развиваются болота, питающиеся грунтовыми водами, приносящими обильное количество солей для питания растительности. Среди болот этого типа выделяют ряд подгрупп по типу растительности: моховые, травяные, лесные и др. Болота атмосферного питания имеют, как правило, маломощный торфяной покров.
151
Особенностью развития болот является накопление и разложение
растительных остатков в переувлажнённой среде. Отмирающая болотная
растительность накапливается на дне водоёма в большом количестве, но
вследствие недостатка кислорода подвергается лишь слабому разложению. Из этих полуразложившихся растительных остатков и образуется
торф, представляющий собой уплотнённую, обогащённую углеродом
массу отмерших остатков растений.
В северных зонах, особенно за Полярным кругом, процесс накопления торфа идёт весьма активно. Только за время, соответствующее незначительной части четвертичного периода, после оледенения, здесь накопились толщи торфа, достигающие 12-15 м мощности. На западном
склоне Южного Урала известны месторождения, в которых в течение
третичного периода накопились слои торфа мощностью свыше 100 м.
Прирост торфа в современных болотах протекает со средней скоростью
1 т \ 1 га в год. Только на Западно-Сибирской низменности в год образуется не менее 10 млн т торфа. Общие запасы торфа здесь оцениваются
в несколько сот миллиардов кубических метров.
При распаде растительного вещества в условиях болот обычно выделяется углекислота, метан и различные органические кислоты, придающие болотным водам бурую окраску. В результате неполного разложения
органической массы она постепенно обогащается углеродом и со временем превращается в чёрное углистое вещество. Давление вышележащих
осадков и повышенная температура недр приводят к полному разрушению растительных тканей, относительному уплотнению торфяной массы,
уменьшению содержания в ней водорода и кислорода и значительному
увеличению содержания углерода. В результате торф превращается в бурый уголь (лигнит). Последующее погружение в область более высоких
давлений и температур приводит к дальнейшей переработке лигнита
и превращению его в каменный уголь.
Угли озёрно-болотного происхождения называют лимническими.
Такие угли развиты, например, в Подмосковном угольном бассейне.
152
7.4.6. Геологическая деятельность моря
Моря и океаны занимают около 71 % поверхности Земли. В них сосредоточено почти 1,5 млрд км3, или 97 % всех водных запасов планеты.
Эта масса воды находится в постоянном движении, что приводит к разрушению берегов (абразии), перемещению огромного количества обломочного материала и растворенных веществ, выносимых реками, их отложению с образованием разнообразных осадков. Широкое развитие на
континентах осадочных пород морского происхождения свидетельствует
о периодическом изменении в геологическом прошлом границ морей
и Мирового океана.
В рельефе дна океанов выделяются следующие элементы: материковая отмель, или шельф (до глубины 200 м), материковый склон (от 200
до 2500 м), ложе океана (от 2500 до 6000 м), глубоководные желоба
(свыше 6000 м). Шельф занимает 7,6 %, материковый склон – 15 %, ложе океана – 76,2 % и глубоководные желоба – 1,2 % поверхности дна
Мирового океана.
Главные факторы, определяющие тип морских отложений, – характер рельефа и глубина морского дна, степень удаленности от берега и
климатические условия. В пределах океана выделяются следующие зоны
осадконакопления: литоральная, неритовая, батиальная и абиссальная
(рис. 32).
Глубоководная впадина
Рис. 32. Рельеф дна Мирового океана и зоны осадконакопления
153
Литоральной зоной называется прибрежная мелководная часть моря, периодически заливаемая во время приливов и осушаемая при отливах. В этой зоне много воздуха, света и питательных веществ. Осадки
литоральной зоны характеризуются прежде всего сильной изменчивостью, являющейся следствием периодически меняющегося гидродинамического режима воды.
В литоральной зоне формируется пляж. Пляж представляет собой
скопление обломочного материала в зоне действия прибоя. Сложены
пляжи самым разнообразным материалом – от крупных глыб до тонкого
песка. Волны, набегающие на пляж, сортируют выносимый ими материал. В результате в зоне пляжа могут появиться участки, обогащенные
тяжелыми минералами, что приводит к формированию прибрежноморских россыпей. Современные прибрежные россыпи расположены
вдоль берегов Австралии, Новой Зеландии, Индонезии, Индии, Африки
и в других местах. Прибрежно-морские россыпи известны также в ископаемом состоянии на Урале, Украине и в других регионах.
На участках литорали, где не бывает сильных волнений, характер
отложений существенно иной. Осадки здесь преимущественно тонкозернистые: алевритовые и глинистые. Иногда вся приливно-отливная зона
занята песчано-глинистыми илами.
Неритовой зоной называется область мелководья, тянущаяся с глубины, где перестает сказываться волнение, до внешнего края шельфа.
В этой зоне идет накопление терригенных, органогенных и хемогенных
осадков.
Терригенные осадки имеют наибольшее распространение, что обусловлено близостью суши. Среди них выделяют грубообломочные осадки: глыбы, валуны, галечники и гравий, а также песчаные, алевритовые
и, наконец, глинистые осадки. В целом в шельфовой зоне наблюдается
следующее распространение осадков: около берега накапливаются грубообломочный материал и пески, за песками следуют алевритовые, а еще
154
дальше глинистые осадки (илы). Сортировка осадков ухудшается по мере
удаления от берега в связи с ослаблением сортирующей работы волн.
В зоне шельфа чрезвычайно разнообразен органический мир. Основными веществами, которые извлекаются из морской воды организмами, являются углекислый кальций, кремнезем и в меньшей степени
фосфор. Для области шельфа особое значение имеют организмы, которые извлекают из морской воды углекислый кальций, а затем, отмирая,
образуют на дне водоемов мощные накопления осадков, из которых
впоследствии формируются известняки-ракушняки. Ракушняковые отложения характерны для теплых морей, так как в зонах с холодным климатом, несмотря на большие биомассы моллюсков, их раковины, попадая в осадок, растворяются вследствие низкой температуры воды и не
дают значительных накоплений.
Другая группа животных с известняковым скелетом – кишечнополостные, среди которых особая роль принадлежит кораллам. Рифостроящие кораллы живут лишь в строго определенных условиях: на небольшой глубине, в чистой воде нормальной солености, при температуре не
ниже 22 °С. Кораллы живут колониями, каждый коралл (полип) занимает
одну из известковых трубообразных камер, а в целом колония кораллов,
разрастаясь, образует рифы – массивные известковые постройки с крутыми склонами, иногда выступающие на поверхность моря (рис. 33).
а
б
Рис. 33. Коралловые рифы:
а – в плане; б – в разрезе.
1 – породы основания; 2 – коралловая постройка; 3 – лагуна; 4 – морской бассейн
155
Так как рифостроящие организмы (прежде всего кораллы, а также
мшанки, водоросли) живут на мелководье, рифы образуются только
в результате медленного опускания дна. Если опускание происходило
быстро, то колония погибала. При благоприятных условиях рифовый
комплекс может достигать значительной мощности (до нескольких сотен
и тысяч метров).
На внешнем склоне рифа в результате абразии наблюдается накопление обломочного материала. Во внутренней части его располагается
лагуна, где формируются в основном известковые илы, иногда обогащенные глинистым материалом. Илы богаты органическими остатками.
Для некоторых участков лагун характерны мангровые заросли, впоследствии образующие залежи прибрежно-морских или паралических углей.
Нередко древние рифовые постройки являются аккумуляторами нефти
и природного газа. Примером такого явления могут служить месторождения Ишимбаевского Приуралья. Самые большие нефтяные месторождения в этом районе приурочены именно к рифовым известнякам.
Батиальной зоной называется область морского дна, расположенная между шельфом и океаническим ложем. В целом батиальные осадки
гораздо более тонкообломочные, чем осадки шельфа. В среднем глины
составляют в них около 60 %, пески – около 25 %, грубые осадки – 10 %.
Таким образом, и в батиальной зоне еще преобладают терригенные образования. Одним из характерных отложений батиальной зоны является
синий ил. Он состоит из тончайших иловатых и глинистых частиц. Синевато-серая окраска осадка, обусловленная закисью железа, указывает
на образование осадка в условиях недостатка кислорода в восстановительной среде.
Кроме синего ила, в батиальной зоне распространен красный ил, по
составу близкий к синему, но отличающийся окраской: красной, бурой,
желтой за счет присутствия в нем оксидов железа.
В батиальной зоне встречается зеленый ил, отличающийся от синего
и красного большей грубозернистостью и нередко представленный мел156
кими песками. Зеленый цвет обусловлен присутствием минерала глауконита.
Кроме отмеченных выше терригенных илов, в этой зоне нередко
развиты органогенные илы. В их образовании главную роль играют
планктонные организмы, населяющие верхние слои морской воды. Отмирая, эти организмы падают на дно и, накапливаясь, образуют илы,
представленные в основном скоплениями мельчайших известковых скелетов фораминифер – одноклеточных организмов или брюхоногих моллюсков – птеропод. Соответственно, илы называются фораминиферовыми и птероподовыми.
Абиссальные осадки покрывают дно океанов на глубинах более
1000-3000 м. Скорость накопления абиссальных илов ничтожна и составляет максимум несколько сантиметров за тысячу лет. Из осадков
абиссальной зоны наиболее характерна красная глубоководная глина. Отложения ее в Тихом океане, например, занимают около 50 % площади
его дна. Образуется красная глина на глубинах более 4500 м. Красная
глина – очень тонкая осадочная порода с размерами частиц 0,001 мм.
Среди осадков абиссальной зоны часто присутствуют железомарганцевые конкреции. В Индийском и Тихом океанах они покрывают местами 20-50 % площади дна. В состав конкреций входят марганец (около
40 %), железо (4-20 %), кобальт (до 1,5 %), медь (до 1,8 %) и ряд других
элементов.
Из органогенных осадков наибольшим распространением в абиссальной зоне пользуются фораминиферовые илы. Их особенно много
в Атлантическом океане, где они занимают около 60 % площади дна.
Отмечаются также и птероподовые илы.
Из кремнистых осадков в абиссальной зоне встречаются радиоляриевые и диатомовые илы. Радиоляриевые илы состоят из скоплений
опаловых скорлупок одноклеточных планктонных организмов – радиолярий. Распространены эти илы на глубинах от 4000 до 8000 м, где постепенно замещаются красными глинами. Диатомовые илы – это скоп157
ление остатков диатомей – одноклеточных водорослей, строящих свои
панцири из кремнистого материала. Наиболее распространены диатомовые илы в приантарктической части Мирового океана. Сами водоросли
живут в верхних слоях морской воды, куда проникает солнечный свет.
После их гибели остатки панцирей за счет слабой растворимости в воде
достигают океанического дна.
Кроме терригенных и органогенных осадков, в абиссальной зоне
распространены также вулканогенные образования, приуроченные в основном к районам активной вулканической деятельности.
7.5. Геологическая деятельность подземных вод
Атмосферные осадки, попадая на земную поверхность, разделяются
обыкновенно на три неравные части. Одна часть течет прямо по поверхности и образует ручьи, реки и озера; другая – испаряется, возвращается
снова в атмосферу и отчасти расходуется организмами; третья – поглощается почвой, проникает на разную глубину внутрь земной коры и служит основным источником питания подземных вод. В целом подземными водами называются воды, находящиеся в горных породах в жидком,
твердом и газообразном состояниях.
Подземные воды играют существенную роль в геологическом развитии земной коры. Их чрезвычайно широкое распространение и подвижность приводят к постоянному взаимодействию с горными породами
и к перераспределению вещества в земной коре. Геологическая деятельность подземных вод проявляется в карстовых явлениях, суффозии и явлениях, связанных с многолетнемерзлыми породами.
Карстовые явления связаны с выщелачиванием подземными водами
карбонатных и других растворимых пород. Выщелачивание обычно начинается с поверхности. Образуется воронка, затем глубокие борозды,
или карры. В дальнейшем выщелачивание проникает вглубь. В результате на дне карра образуется нечто вроде природного колодца, в который
158
устремляется вода. Такие колодцы называются понорами. В конечном
итоге в горных породах образуются многочисленные каналы и пещеры,
часто поглощающие
целые ручьи и реки
(рис. 34).
Классическим
примером
развития
карста считается плато Карст в Югославии,
Рис. 34. Карстообразование:
1 – почвенный слой; 2 – известняки; 3 – песчаники;
с которым связано на4 – сталактиты; 5 – сталагмиты
звание этого явления.
Плато Карст – каменная пустыня, поражающая сво-им унылым видом. Здесь
нет ни воды, ни зелени. Поверхность ее покрыта трещинами, ямами, рытвинами, воронками. Есть тут реки, но текут они под землей в закрытых руслах.
Подземные воды не только выщелачивают горные породы, но при
благоприятных условиях отлагают растворенные вещества, создавая разнообразные натечные образования: сталактиты и сталагмиты. Сталактиты представляют собой удлиненные, растущие вниз от кровли пещеры сосульки, состоящие чаще всего из кальцита. Сталагмиты, наоборот,
растут вверх, образуя более толстые натечные формы.
Кроме натечных форм, подземные воды отлагают минеральные вещества в пустотах рыхлых пород, цементируя их. В результате цементации образуются новые породы: песчаники, конгломераты, брекчии и др.
Наряду с химическим взаимодействием с горными породами подземные воды производят и механический вынос из горных пород мелких
минеральных частиц; этот процесс называется суффозией. Процессы
суффозии приводят, в частности, к возникновению оползней. Оползни это передвижение масс горных пород вниз по склону под влиянием силы
тяжести (рис. 35).
В обычное время вода стоит ниже водопроницаемого (песчаного) горизонта. Во время паводка вода поднимается выше горизонта песков.
159
Сток подземных вод прекращается. В песках накапливается много воды.
Когда паводок спадает, вода устремляется к выходу, увлекая за собой
песчаные частицы, вынося в реку тысячи
тонн песка. Связь с подстилающим водоупорным слоем ослабляется, и вышележащая толща пород вместе с пластом
песка сползает вниз.
Многолетнемерзлыми породами называют толщи горных пород, имеющие
отрицательную температуру в течение неРис. 35. Схема развития
определенно долгого времени, что обусуффозионного оползня:
1 – глины; 2 – пески;
словливает наличие в них льда, цементи3 – известняки; уровень воды
в реке; 4 – в межень (I);
рующего частицы пород. В бывшем
5 – в половодье (П).
СССР многолетнемерзлые породы (вечная
Стрелкой показано направление
сползания водопроницаемых
мерзлота) занимают около 50 % ее террипород по водоупорному слою
тории. Мощность мерзлых пород колеблется от нескольких до 600-800 м, а в высокогорных районах превышает
даже 1000 м. На Крайнем Севере и Северо-Востоке нашей страны многолетнемерзлые породы распространены повсеместно. Мерзлые породы
оттаивают в летнее время только на небольшую глубину (0,2-1,5 м).
Этот временно оттаивающий верхний слой многолетнемерзлых пород
называется деятельным.
При переувлажнении оттаявшего грунта деятельного слоя под влиянием силы тяжести может начаться солифлюкция, или течение грунта.
Солифлюкция обычно проявляется уже при небольших уклонах местности всего в несколько градусов, что существенно затрудняет строительные работы в районах вечной мерзлоты.
В районах распространения многолетнемерзлых пород обычны наледи и бугры пучения вследствие образования льда в результате замерзания подземной воды в толще промерзших пород, а также термокарстзамкнутые воронко-, котловино- или блюдцеобразные понижения,
160
заполненные чаще всего водой и образующиеся вследствие вытаивания
погребенного льда или оттаивания многолетнемерзлого грунта.
7.6. Лед и его геологическая деятельность
Геологическая деятельность льда является объектом изучения специальных наук – гляциологии и геокриологии.
Гляциология – это наука о физических свойствах ледников, их происхождении и развитии, геологической деятельности и влиянии на формирование земной поверхности.
В геокриологии (мерзлотоведении) изучаются закономерности формирования и распространения многолетней мерзлоты и геологические
процессы, происходящие в мёрзлой зоне литосферы.
7.6.1. Геологические процессы в мёрзлой зоне литосферы
К мёрзлой зоне литосферы принято относить области развития таких
горных пород, для которых характерны нулевая или отрицательная температуры и присутствие в них льда, заключённого в порах и трещинах.
Горные породы могут подчиняться климатическим переменам –
сезонному замерзанию и оттаиванию, но могут быть и многолетнемёрзлыми. Древность многолетнемерзлых пород подтверждается археологическими и палеонтологическими находками. Так, на Анадырском полуострове, около оз. Чирового, в суглинках, залегающих в трещинах разрыва ледяного бугра, Н. Граве были обнаружены остатки древнего человека, жившего здесь, в верхнем неолите, не менее 2000 лет назад.
Изотопными методами установлено, что хорошо сохранившиеся остатки мамонтов имеют возраст, исчисляемый многими тысячелетиями.
Таймырский мамонт погиб около 12 тыс. лет назад.
161
Исходя из этих данных, многолетнемёрзлыми горными породами
называют такие породы, в которых отрицательные температуры сохраняются непрерывно в течение тысячелетий и десятков тысяч лет.
Многолетнемёрзлые горные породы в России расположены главным
образом в Сибири, где южная граница их распространения проходит
к югу от оз. Байкал. В европейской части России их граница примерно
совпадает с Северным полярным кругом. Вдоль южной границы многолетней мерзлоты отмечается островной характер её распространения.
В России площадь многолетнемёрзлых горных пород необычайно велика –
она достигает 49,7 % территории России.
Всего на земном шаре 23 % территории суши покрыто вечной мерзлотой: наиболее крупными областями её распространения помимо России являются Канада (6 млн кв. км), Гренландия (1,6 млн кв. км), Аляска (1,5 млн кв. км), Антарктида (12980000 кв. км).
Льды в пределах распространения многолетнемёрзлых горных пород могут встречаться в виде льда-цемента, жильного, повторножильного, погребённого и пещерного.
Лёд-цемент сковывает минеральные образования, скрепляя и цементируя их.
Жильный лёд заполняет трещины в горных породах.
Повторно-жильный лёд проникает в горные породы по морозобойным трещинам глубже границы их сезонного промерзания. Он может
расти не только по вертикали, но и по горизонтали и образовывать
большие скопления. Ранее их принимали за «ископаемые или погребённые льды» древних геологических периодов. В настоящее время установлено, что такие массивы льдов непрерывно образовывались в течение
всего четвертичного периода.
Собственно погребённые льды наблюдаются в зонах современных
оледенений внутри отложенных морен и под ними.
Пещерные льды формируются в разнообразных полостях. Они могут встречаться и вне зоны распространения многомёрзлых горных по162
род (например, в Кунгурской пещере). Такие льды представляют либо
сплошные ледяные массы, либо натечные формы (столбы), либо отдельные кристаллы на стенах и потолке пещер.
Геологические процессы, протекающие в областях распространения
многолетнемёрзлых пород, связаны с насыщением их подземными водами, залегающими в верхней части слоя (надмерзлотные воды), в многолетнемёрзлых породах (межмерзлотные воды) и под ними (подмерзлотные воды). Эти воды производят три основных вида геологической
деятельности в мёрзлой зоне литосферы – солифлюцию, термокарст
и пучение.
Сезонные промерзания и оттаивания почв протекают и вне зоны
многолетней мерзлоты, приводя к тем же явлениям в условиях обводнённости и при некотором уклоне поверхности. В горных районах в результате солифлюкционных процессов образуются натечные террасы,
курумы и каменные потоки, структурные почвы и нагорные террасы.
Натечные террасы (оплывины) имеют форму небольшого языка,
площадью от нескольких метров до сотен метров, с крутым обрывом
внизу. При сползании слоев пласты сминаются и часто разрываются.
Курумы и каменные потоки (каменные реки, каменные моря) представляют скопления остроугольных глыб, имеющих различные размеры.
Движение их осуществляется вниз по склону за счёт скольжения глыб
по увлажнённой и промёрзшей щебневой подстилке. Подобные формы
рельефа также встречаются вне зоны вечной мерзлоты. Они могут указывать на происшедшие изменения климата.
Нагорные террасы образуются в высокогорных областях на склонах гор. Они возникают на различных уровнях одиночных гор, и это отличает их от речных, озёрных и морских террас. Внешне такие террасы
представляют относительно ровные поверхности, ограниченные уступами. По С. В. Обручеву, они образуются в результате солифлюкционных
процессов. По С. Г. Бочу и И. И. Краснову, нагорные террасы возникают вследствие снежно-морозного выветривания вдоль края снежника.
163
Термокарст, наблюдаемый в областях развития многолетнемёрзлых
горных пород, возникает в результате выветривания подземного льда.
Этот процесс, аналогичный карсту, приводит к образованию провалов,
воронок, ложбин и котловин оседания, а также термокарстовых озёр.
Процессы пучения многолетнемёрзлых грунтов приводят к образованию специфических форм рельефа. Сущность этого процесса сводится
к деформации (выпучиванию) поверхности Земли и последующему её
оседанию. Процесс часто идёт при сезонном замерзании и оттаивании
грунта. При этом вода сжимается (оттаивая) и расширяется (замерзая),
что приводит к образованию бугров пучения, налёдных бугров (при притоке воды извне), структурно-полигональных образований.
К буграм пучения (разнообразным по облику) относят гидролакколиты, представляющие бугры вспучивания грунта, содержащие внутри
ледяное ядро. На заболоченных участках развиваются торфяные бугры
до 3-4 м высотой, сложенные торфом. Внутри такого бугра располагаются суглинистые и песчаные грунты. При прорывах подмерзлотных
вод часто формируются наледи, особенно в тех участках, где нарушен
поверхностный слой земли. К таким участкам относятся дороги (грунтовые и железные), площади под фундаментами зданий и т. д. Размеры наледей, образующихся при прорыве вод, разнообразны. Известна наледь,
захватившая площадь более миллиона квадратных метров.
Борьбе с разнообразными явлениями, наблюдаемыми в областях развития многолетнемёрзлых пород, подчинены исследования геокриологов. Ими разработаны многочисленные рекомендации для строительства
зданий и дорог, подземных предприятий, электростанций. Значительная
часть этих рекомендаций рассматривается в курсе инженерной геологии.
7.6.2. Геологическая деятельность ледников
Ледниками называются естественные скопления движущегося льда,
образующегося на суше в результате превышения твёрдых атмосферных
164
осадков над их таянием и испарением. Наиболее благоприятная обстановка для формирования ледников приурочена к области, которая названа академиком С. В. Колесниковым хионосферой (от греч. «хион» –
снег, «сфера» – оболочка). Хионосфера охватывает всю поверхность
земного шара. Нижняя её граница называется нижней снеговой линией.
В полярных областях эта линия совпадает с поверхностью Мирового
океана, а на экваторе поднимается до высоты 5900-6000 м (например,
северные склоны гор Каракорум).
Верхняя граница хионосферы (верхняя снеговая линия) возникает
в связи с резким понижением влажности воздуха с высотой, что отражается на сокращении атмосферных осадков, которые не компенсируют их
потерю за счёт таяния и испарения. В условиях современного рельефа
Земли эта граница может быть реально обнаружена лишь в приполярных
её частях в Антарктиде и Гренландии; в приэкваториальном поясе планеты она располагается выше самых высоких гор.
В пределах хионосферы господствуют наиболее низкие среднегодовые температуры, приближающиеся к нулю. Однако следует иметь в виду, что периодическая изменчивость среднегодовых температур, поясное распределение климата на планете, различная освещенность склонов
и другие причины определяют сложность конфигурации нижней снеговой линии. С ними связано появление круглогодичного снегового покрова даже за пределами хионосферы, где среднемесячная температура
наиболее тёплого времени года подчас может подниматься до +5 °С. Это
обстоятельство позволяет различать ещё и орографическую снеговую
линию.
В настоящее время ледниками покрыто 11 % всей площади суши.
Из них 86 % площади приходится на южные полярные страны (Антарктида), 13 % – на северные полярные страны (Гренландия, Новая Земля,
Северная Земля, Земля Франца Иосифа) и только 1 % – на высокогорные
сооружения умеренных и тропических широт. Наиболее крупный ледни165
ковый массив располагается в Антарктиде. Он имеет площадь около
14 млн км2 и мощность до 3000 м.
Лёд в хионосфере возникает благодаря скоплению снега в понижениях рельефа, называемых карами (от нем. «кар» – цирк), и его периодическому подтаиванию и промерзанию. В результате в начале образуется
ледяная крупа, которую называют фирном; затем эта крупа смерзается
и уплотняется, тем самым формируя фирновый лёд. В дальнейшем фирновый лёд ещё более уплотняется, приобретает голубую окраску и становится глетчерным льдом, плотность которого превышает плотность
снега в 10 раз, доходя до 1 т\м3. Места скопления льда называются фирновыми полями, или снежниками.
При достижении мощности
15-20 м лёд приобретает пластичность и при благоприятных
наклонах поверхности рельефа
начинает течь, формируя ледниковые языки. Области, в пределах которых возникают фирноРис. 36. Элементы хионосферы
вые поля, получили название
областей питания (рис. 36). Зона распространения ледников, лежащая
гипсометрически ниже области питания, называется областью стока.
Длина ледникового языка зависит от того, в каком климатическом поясе
располагается его фронтальная (краевая) часть. Здесь непрерывное поступление льда постоянно компенсируется его таянием и испарением.
С течением времени при нарушении этого равновесного состояния
фронт ледника может достаточно резко менять своё местоположение.
Так, например, Большой Тихоокеанский ледник на Аляске только в течение 1911 – 1912 гг. «отступил» на 2292 м, что было вызвано заметным
потеплением климата.
Скорость движения льда может измениться от долей метра до сотни
и более метров в сутки. Максимальная катастрофическая скорость дви166
жения, доходившая до 150 м/сут, была зафиксирована в 1963 г. на Памире, где расположен ледник Медвежий. Скорость движения льда зависит
от многих факторов и существенно возрастает при увеличении количества осадков в области питания, возрастании угла наклона ледникового
ложа и температуры окружающего воздуха. Движение льда по всей массе ледника происходит неравномерно. Благодаря трению о ложе скорость его перемещения в краевых частях замедляется. В итоге в теле
ледника возникают напряжения отрыва, которые реализуются в виде
многочисленных трещин, перемещающихся относительно друг друга.
Изучением вопросов, связанных с зарождением, движением и отмиранием ледников, занимается особая наука, называемая гляциологией.
Различают три основных типа ледников: горные, покровные и промежуточного типа.
Горными, или альпийскими, называют сравнительно маломощные
ледники высокогорных районов, приуроченные к различного рода углублениям в рельефе: впадинам, долинам рек, ущельям и т. п. Ледники
такого типа развиты в Альпах, Гималаях, на Тянь-Шане, Памире, Кавказе. Хотя ледники альпийского типа играют незначительную роль в общем балансе оледенения (их общая площадь составляет менее 0,5 %
площади ледников), отдельные высокогорные ледники достигают значительных размеров.
Покровные ледники обычно образуются в полярных районах (Антарктика, Гренландия, о-в Новая Земля и др.) и располагаются почти на
уровне моря. Как правило, эти ледники занимают огромные площади
и имеют значительную мощность ледникового покрова.
К ледникам промежуточного типа относятся плоскогорные ледники,
которые образуются на горах с плоской (столбообразной) или плосковыпуклой вершиной. Такие ледники развиты в Скандинавии, поэтому их
иногда называют ледниками скандинавского типа.
Геологическая работа ледников. Передвигаясь, ледники производят
огромную работу по разрушению горных пород, обработке (вспахиванию
167
и истиранию) поверхности, по которой они движутся, и переносу разнообразного обломочного материала.
Работа ледника по разрушению и истиранию пород ложа называется
экзарацией. При движении льда образуются выровненные, выположенные формы рельефа. Округлые асимметричные скалы со следами полировки, штриховки называются «бараньими лбами», а их скопления образуют ландшафт курчавых скал. Долина, по которой движется ледник
с вмерзшими в лед обломками пород, приобретает корытообразную
форму с плоским дном и отвесными боковыми стенками. Такая долина
называется трогом.
Обломочный материал, образующийся в результате деятельности ледников, концентри1
руется в образованиях, которые
2
получили название морен (рис.
37). По своему составу морены
подразделяют на движущиеся и
1
3
неподвижные. Первые движутся
Рис. 37. Схема движения ледника
и образование морен:
вместе со льдом, а вторые пред1 – боковой; 2 – срединной; 3 – конечной
ставляют собой обломочный материал, оставшийся на месте после таяния ледников. Неподвижные морены подразделяются на конечные и основные. Неподвижная морена,
образовавшаяся у нижней границы ледникового языка, называется конечной (см. рис. 37, 3). Основная морена – это отложения, оставшиеся
после таяния ледника на всем протяжении троговой долины.
С деятельностью ледников связаны также флювиогляциальные отложения, которые возникают в результате деятельности временных водных потоков, образующихся при таянии ледников. Такие водные потоки,
как правило, размывают морену и выносят рыхлый обломочный материал, далее – мелкий песчаный и затем тонкий, глинистый. Таким образом,
флювиогляциальные отложения в отличие от моренных характеризуют168
ся отсортированностью и слоистостью и в этом отношении близки к
речным. Однако по сравнению с ними флювиогляциальные образования
менее окатаны, так как являются составной частью перемытой морены
и переносятся водным потоком лишь на незначительные расстояния.
Древние оледенения. Изучение древних ледниковых отложений позволило установить, что в истории Земли неоднократно наблюдались
периоды оледенения, которые сменялись межледниковыми эпохами.
Сейчас удалось установить семь периодов материковых оледенений. Из
табл. 8 видно, что практически все континенты в разное время в значительной степени покрывались ледниками. Так, в последний ледниковый период льдом была покрыта 1/3 часть суши (около 45 млн кв. км),
включая большую часть Северной Америки, Гренландии и 1/4 часть
Евразии.
Существует ряд гипотез, объясняющих причины древних оледенений. Одни гипотезы связывают оледенение с процессами, протекающими на поверхности Земли или в глубоких слоях земной коры и верхней
мантии, другие – с космическими явлениями. В частности, в геологической истории Земли отчетливо выступает связь между оледенениями
и важнейшими тектоно-магматическими (вулканическими) событиями.
Подмечено, что оледенения обычно наступают после крупнейших горообразовательных процессов, сопровождающихся активной вулканической деятельностью. Вполне вероятно, что похолодания были обусловлены вулканической деятельностью, уменьшавшей за счет выброса колоссального количества пепла прозрачность атмосферы и сокращавшей
относительную солнечную радиацию. Бурение многослойных ледовых
панцирей Гренландии и Антарктиды показало, что наиболее низкие температуры отмечаются в тех слоях, где были выявлены самые мощные отложения вулканического пепла.
В современную эпоху все возрастающую роль в изменении климата
Земли играет деятельность человека. Сжигание топлива, выброс в атмосферу газов и мелких частиц промышленными предприятиями приводят,
169
с одной стороны, к изменению газового состава воздушной оболочки
Земли, а с другой – к увеличению содержания пыли в атмосфере. Увеличение содержания углекислоты в атмосфере за счет так называемого
парникового эффекта может привести к существенному потеплению
климата и растоплению ледникового покрова Земли. Загрязнение атмосферы пылью, наоборот, снижает поступление солнечного тепла. Как
считают климатологи, достаточно на 1 % уменьшить освещенность Земли, чтобы вызвать на планете резкое похолодание или крупномасштабное оледенение. Отсюда становится понятным, насколько важно соблюдение рационального режима и поддержание установившегося природного равновесия в тепловом балансе планеты.
7.7. Литогенез
Формирование осадочных пород представляет собой сложный
и длительный процесс, связанный с экзогенными процессами. В образовании осадочных пород можно выделить следующие стадии: 1) образование исходного осадочного материала; 2) перенос осадочного материала; 3) накопление осадка (седиментогенез); 4) преобразование осадка в
осадочную породу (диагенез); 5) изменение осадочной породы до начала
метаморфизма или начала выветривания (катагенез). Процесс формирования осадочной породы, начиная от образования исходного материала
и заканчивая превращением осадка в породу, носит название литогенеза. Крупный вклад в изучение этого процесса внесли советские учёные
Н. М. Страхов, Л. В. Пустовалов, Г. Ф. Крашенинников, Н. Б. Вассоевич,
Н. В. Логвиненко, Т. А. Лапинская и др.
Исходным материалом осадочных пород служат продукты разрушения магматических, метаморфических и ранее образовавшихся осадочных пород на поверхности Земли. Разрушаются горные породы и входящие в их состав минералы в результате экзогенных процессов, причём
основная масса продуктов разрушения образуется в результате выветри170
вания. Под действием поверхностных вод и в меньшей степени ледников
и ветра продукты разрушения переносятся к областям седиментации
(осадконакопления). Весь этот материал, находящийся на стадии переноса, при соответствующих условиях рельефа и геохимической обстановки
может перейти в осадок. При этом начинается третья стадия образования
породы – седиментогенез, или накопление осадка. Осаждение частиц
может быть временным, когда частицы вновь подхватываются движением среды, или окончательным, когда происходит накопление осадка, т. е.
постепенное закрепление частиц на дне.
Подавляющая масса осадков накапливается в конечных водоёмах
стока – озёрах и, главным образом, морях. Такие осадки называют субаквальными. В отличие от них осадки, накапливающиеся на суше, вне
водной среды, называют субаэральными. В конечных водоёмах стока
в зависимости от характера поступающего материала, а также от гидродинамического и гидрохимического режимов формируются осадки трёх
типов: обломочные, органогенные и хемогенные. Характерно, что породы биогенного происхождения встречаются только в толщах субаквальных отложений. Субаэральные отложения обычно представлены только
обломочными и хемогенными образованиями, отличными по своим
свойствам от тех же разностей, сформировавшихся в субаквальных условиях. На стадии седиментогенеза закладываются такие важные свойства
осадка, как минеральный состав, размер и форма слагающих его частиц,
слоистость. Следующим этапом формирования породы является стадия
диагенеза. Диагенез – совокупность процессов, преобразующих осадок
в осадочную породу. Свежесформированные осадки обычно образуют
рыхлые, сильно обводнённые слои, насыщенные разнообразными химически активными соединениями. Кроме минеральных веществ в
осадке присутствует органическое вещество в виде остатков отмерших
организмов и живые бактерии.
Только что образовавшийся осадок представляет собой рыхлое или
текучее тело, обильно обводненное, богатое микроорганизмами и со171
стоящее из весьма разнообразного материала, частью твердого, частью
жидкого и газообразного. Главная особенность свежесформированного
осадка – отсутствие равновесия между входящими в его состав реакционноспособными соединениями. Из-за неравномерности свежий осадок
представляет собой неустойчивую физико-химическую систему. Так,
в осадке имеется много кислорода и богатых им веществ, здесь же живые организмы, нуждающиеся в кислороде для своего существования,
и органическое вещество, которое способно к окислению и сгоранию.
Пропитывающая иловый осадок вода по составу почти не отличается
в первый момент от воды наддонной. Эта вода не насыщена карбонатами, кремнеземом, фосфатами и другими компонентами; в то же время
в осадке много биогенно осаженных или перенесенных в виде взвеси
кальцита, магнезита, кремнезема и других веществ. В состав глинистых
минералов в виде примеси входят также поглощенные ими катионы многих металлов.
После фиксации осадка на дне естественно начинается процесс
уравновешивания этой системы. Физико-химическое равновесие достигается при процессах обезвоживания, разложения органических остатков, уплотнения и цементации осадков, образования конкреций.
Стадией диагенеза заканчивается процесс собственно формирования
осадочной горной породы. Она продолжает существовать в земной коре
до тех пор, пока находится в термодинамических условиях, характерных
для верхних горизонтов. Однако и здесь осадочная горная порода не остаётся неизменной. Наступает стадия катагенеза. Катагенез – это совокупность процессов, изменяющих осадочную породу в период её существования до начала метаморфизма или выветривания. В отличие от
диагенетических процессов, обусловленных внутренней неуравновешенностью осадка, причиной катагенеза является отсутствие равновесия
между породой и средой, в которую она попадает в результате прогибания или подъёма участков земной коры. Основными факторами катагенеза являются температура и воздействие подземных вод. В целом
172
процессы катагенеза протекают менее интенсивно, чем диагенетические,
но зато чрезвычайно длительны и приводят к заметным результатам,
а именно: уплотнению и обезвоживанию, растворению и выносу ряда
минералов подземными водами, перекристаллизации минералов в осадочной породе.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Дайте определение термина «выветривание».
2. Что такое элювий и кора выветривания?
3. Где и в каких условиях проявляется интенсивная деятельность ветра?
4. Что такое корразия и каковы ее результаты?
5. Какие отложения образуются при плоскостном склоновом стоке?
6. Каковы закономерности формирования речных долин и их деятельность?
7. Как образуются подземные воды?
8. Какие геологические процессы приводят к образованию карста?
9. Как и при каких условиях образуются ледники?
10. Какие виды льда встречаются в зоне многолетней мерзлоты?
11. Какие горные породы образуются в озерах, болотах и морях?
12. Что понимается под диагенезом?
173
Глава 8
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ.
ОСНОВЫ ИСТОРИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ
8.1. Содержание и методы исторической геологии
Геология – наука естественно-историческая, и поэтому особо важное значение имеет ее раздел, посвященный изучению развития геологических событий по времени.
Задачи исторической геологии – восстановление физико-географических обстановок накопления осадков в различные эпохи, последовательности формирования пород и их распределения по относительному
возрасту, изучение истории развития органического мира от древнейших
эпох до настоящего времени.
Восстановление геологических событий прошлого осуществляется
с помощью ряда методов, большая часть которых базируется на принципе актуализма. Суть этого принципа заключается в познании минувших явлений посредством сравнения их с наблюдаемыми в настоящее время. Так, например, мы знаем, что прибрежные морские осадки
обычно представлены грубообломочным материалом, а по мере возрастания глубины бассейна осадочный материал становится все более тонким. Поэтому, наблюдая в разрезе смену снизу вверх грубых осадков
мелкообломочным материалом, мы можем достаточно уверенно полагать, что на данном участке в эпоху образования осадочного комплекса
происходила трансгрессия - наступление моря.
Наличие ледниковых отложений свидетельствует о континентальном режиме осадкообразования в пределах области их развития и холодном климате. Шаровая отдельность в лавах указывает на подводный
характер вулканических извержений и т. д. Следует, однако, иметь в виду, что принцип актуализма применим до определенного предела – на
ранних стадиях развития Земли физико-химические условия в ее недрах
174
и на поверхности, объем, состав и другие свойства гидросферы и атмосферы были существенно иными, чем сейчас, и при восстановлении событий геологического прошлого все эти обстоятельства должны быть
учтены.
Для выяснения истории различных геологических образований необходимо знать последовательность их возникновения. Важнейшее значение при определении относительного возраста геологических тел
имеют стратиграфический, палеонтологический и петрографический методы. Абсолютный возраст горных пород определяется радиологическими методами.
8.1.1. Методы определения относительного возраста горных пород
Стратиграфический метод основан на том, что при нормальном,
неопрокинутом залегании слоев осадочных пород нижележащий слой образовался раньше вышележащего (рис. 38, а). Если слои залегают в опрокинутом положении, то, прежде чем применить этот метод, необходимо
установить положение кровли и подошвы слоя и восстановить нормальную последовательность отложения осадочных пород (рис. 38, б).
Рис. 38. Определение последовательности напластования стратиграфическим методом:
а – нормальная последовательность слоев осадочных пород; б – случай, когда скв. 2
вскрывает опрокинутое крыло антиклинальной складки и наблюдается обратная
последовательность слоев осадочных пород; 1 – слой песчаника, образовавшийся раньше
всех остальных слоев; 2 – слой глинистых сланцев; 3 – самый молодой слой известняка
175
Палеонтологический метод, основанный на изучении остатков
древних вымерших организмов, – важнейший и наиболее достоверный
метод определения относительного возраста горных пород. Изменчивость органического мира, его эволюционное развитие позволили выделить ряд руководящих ископаемых организмов, живших в строго определенные отрезки геологической истории. Руководящие окаменелости
должны обладать следующими свойствами: встречаться в вертикальном
разрезе в ограниченном числе слоев, иметь широкое горизонтальное
распространение, легко распознаваться и часто встречаться (рис. 39).
Рис. 39. Ископаемые остатки вымерших животных:
а – панцирь трилобита; б – раковина брахиоподы; в – раковина аммонита;
г – раковина (ростр) белемнита
Петрографический метод основан на детальном изучении и сравнении горных пород по их составу. Полученные при этом результаты
могут быть использованы для сопоставления геологических разрезов
в пределах ограниченных участков земной поверхности, на которых
176
в течение определенных промежутков времени сохранились одинаковые
физико-географические условия. Так, с помощью петрографического
метода обычно изучают и сравнивают породы в соседних скважинах,
пробуренных друг от друга в нескольких десятках метров. Этот метод
часто применяется при определении относительного возраста магматических и метаморфических пород. Например, наблюдается контакт гранитов и известняков. Известняки в контакте мраморизованы и ороговикованы. Так как изменение известняка произошло под воздействием внедрившейся интрузии, то можно сказать, что гранит (магматическая порода) моложе известняка (осадочной породы).
8.1.2. Методы определения абсолютного возраста
горных пород и минералов
Проблема определения абсолютного возраста горных пород, продолжительности существования Земли издавна занимала умы геологов,
и попытки её решения принимались много раз, для чего использовались
различные явления и процессы. Данные представления об абсолютном
возрасте Земли были курьёзными. Современник М. В. Ломоносова
французский естествоиспытатель Бюффон определял возраст нашей
планеты всего лишь 74 800 лет. Другие учёные давали различные цифры, не превышающие 400-500 млн лет. Здесь следует отметить, что все
эти попытки заранее были обречены на неудачу, так как они исходили
из постоянства скоростей процессов, которые, как известно, менялись
в геологической истории Земли. И только в первой половине XX в. появилась реальная возможность измерять действительно абсолютный возраст горных пород, геологических процессов и Земли как планеты. Эта
возможность базируется на открытии процесса радиоактивного распада
неустойчивых изотопов целого ряда химических элементов, поскольку
этот физический процесс идёт с постоянной скоростью и не зависит ни
от каких внешних воздействий.
177
Для определения абсолютного возраста Земли, горных пород и минералов применяют радиоактивные, или радиологические, методы.
Сущность этих методов в принципе проста. Процессы радиоактивного распада идут с постоянной, практически неизменной скоростью,
различной у разных радиоактивных элементов, которая может быть достаточно точно определена экспериментальным путем. Поэтому, если
в составе какого-либо минерала встречается некоторое количество радиоактивного элемента, например тория или урана, и совместно с ним
продукты его распада (свинец или гелий), то, зная скорость процесса
распада данного элемента, можно путем расчета определить продолжительность времени, которое потребовалось для образования из данного
количества исходного радиоактивного элемента наличного количества
продуктов его распада.
Основными радиологическими методами являются: калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, свинцовый и радиоуглеродный. Материалом для определения абсолютного возраста служат разнообразные горные породы и минералы.
В радиометрической геохронологии используется ряд процессов радиоактивного распада, характеризующихся достаточной длительностью.
К ним относятся:
1) превращение наиболее распространённого в природе изотопа
урана
238
U в стабильный изотоп свинца
206
Рb с λ =1,537 × 10
-10
лет-1
и Т = 4,53 × 109лет;
2) превращение изотопа урана
207
U
В
стабильный изотоп свинца
Рb с λ = 9,72 × 10 -10лет -1 и Т = 0,712 × 10 9лет;
3) превращение изотопа тория
208
235
232
Th в стабильный изотоп свинца
Рb с λ = 4,99 × 10 -11лет -1 и Т = 13,9 × 109 лет;
4) превращение изотопа рубидия
87
λ = 1,39 × 10 -11лет -1 и Т = 4,99 × 1010лет;
178
Рb в изотоп стронция
87
Sr с
5) сложный распад изотопа калия
40
Са (89 % ядер) с λ = 0,55 × 10
-10
40
К с превращением в кальций
лет-1 и аргон 40Аr (11 % ядер) с λ =
= 4,72 × 10-10 лет -1;
6) превращение изотопа углерода 14С в азот 14N с Т = 5750 лет.
Калий-аргоновым методом в принципе можно производить определение возраста по всем минералам и горным породам, содержащим калий. Этот метод позволяет определить истинный абсолютный возраст
пород и минералов, которые образовались вблизи земной поверхности
или на ней и впоследствии не подвергались хотя бы слабому, но продолжительному нагреванию, а также действию больших нагрузок (давления). В противном случае наблюдается утечка аргона и соответственно искажение значения возраста.
Рубидий-стронциевый метод лишен недостатков калий-аргонового метода – нагревание пород обычно не влияет на определение их возраста. Однако в определенной геохимической обстановке может происходить ионный обмен между сосуществующими минералами. Этот недостаток исключается использованием для анализа не отдельных минералов, а пород в целом. Благодаря освоению в последние годы весьма
чувствительной и точной техники изотопного разделения этот метод
становится сейчас одним из наиболее перспективных в области ядерной
геохронологии.
Свинцовый метод, применяемый в нескольких модификациях, является одним из наиболее совершенных. Хорошим материалом для определения возраста этим методом служат некоторые радиоактивные минералы (уранинит, настуран), а также акцессорные минералы, содержащие
уран и торий, циркон, монацит, ортит, титано- и танталониобаты и др.
Недостатком перечисленных методов является невозможность определения с их помощью небольших отрезков времени и особенно датирования последнего миллиона лет геологической истории. Здесь на помощь геологам приходит радиоуглеродный метод, который основан на
относительно быстром радиоактивном распаде С34 и позволяет датиро179
вать ископаемые растительные и животные остатки (древесину, торф,
кости и т. д.) недавнего геологического прошлого.
Методы абсолютной геохронологии дают возможность оценить возраст Земли и земной коры. Минимальный возраст земной коры определяется наибольшими цифрами абсолютного возраста, установленными для
древнейших горных пород планеты. Совсем недавно этот возраст оценивался примерно в 3,6 млрд лет. В настоящее время известны горные породы возрастом 4,0-4,2 млрд лет. Возраст Земли как планеты оценивается
в 6-7 млрд лет, а возраст химических элементов – в 7-9 млрд лет.
8.1.3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
В геологии как в никакой другой науке важна последовательность
установления событий, их хронологии, основанной на естественной периодизации геологической истории. Геологическая хронология, или геохронология, основана на выяснении геологической истории наиболее
хорошо изученных регионов. На основе широких обобщений, сопоставления геологической истории различных регионов Земли, закономерностей эволюции органического мира в конце прошлого века на первых
международных геологических конгрессах была выработана и принята
Международная геохронологическая шкала, отражающая последовательность подразделений времени, в течение которых формировались
определённые комплексы отложений, и эволюцию органического мира.
Таким образом, Международная геохронологическая шкала – это естественная периодизация истории Земли.
Среди геохронологических подразделений выделяют: эон, эру, период, эпоху, век, время. Каждому геохронологическому подразделению
отвечает комплекс отложений, выделенный в соответствии с изменением органического мира и называемый стратиграфическим: эонотема,
группа, система, отдел, ярус, зона. Следовательно, группа является стратиграфическим подразделением, а соответствующее ей временное гео180
хронологическое подразделение представляет эра. Поэтому существуют
две шкалы – геохронологическая и стратиграфическая. Первую мы используем, когда говорим об относительном времени в истории Земли,
а вторую, когда имеем дело с отложениями, так как в каждом месте земного шара в любой промежуток времени происходили какие-то геологические события. Другое дело, что накопление осадков было не повсеместным. Геохронологическая шкала приведена в табл. 8.
Таблица 8
Стратиграфическая (геохронологическая) шкала докембрия (pc)
Акротема
Протерозой PR
(Э. Эммонс,
1887)
Эонотема (эон)
Эратема (эра)
Верхний (позд- 650+-20
ний) протерозой
PR2 -1080
Рифей R
Верхний (поздний)
(Н. Шатский, рифей R3 350 10001945) рифей - +50
древнее название Урала
1650±50
Средний (средний)
рифей R2 350 1350+20
Нижний (ранний)
рифей R1 300
Нижний (ранний) протерозой
PR1 (карелий)
850
Верхняя часть PR2
Верхний (поздний)
карелий 250 1900±
50
Нижняя часть PR1
Нижний (ранний)
карелий 600
2500±50 Верхний (поздАрхей AR ний) AR2650 31
(Д. Дена, 50± 50
1872)
Нижний (ранний) AR1 >400
181
Система (период)
Вендская (вендский)
V 80,0 (Б. С. Соколов, 1950) вендыдревнеславянское
племя
Отдел (эпоха)
Верхний (поздняя)
V2 50,0
Нижний (ранняя)
V1 30,0
Содержание шкалы с момента принятия менялось и уточнялось.
В настоящее время выделяют три наиболее крупных стратиграфических
подразделения – эонотемы: архейскую, протерозойскую (см. табл. 8)
и фанерозойскую (табл. 9), которым в геохронологической шкале отвечают зоны различной деятельности.
Таблица 9
Геохронологическая шкала фанерозойского эона
Эон
Эра
Период, продолжительность, млн лет
Эпоха
Возраст,
млн лет
Кайнозойская
Четвертичный 1,6
Голоцен
Плейстоцен
Плиоцен
Миоцен
0,01
0,8
5Л
24,6
Палеогеновый 40,4
Олигоцен
Эоцен
Палеоцен
38
54,9
65
Меловой 79,0
Поздняя
Ранняя
97,5
144
Юрский 69,0
Поздняя
Средняя
Ранняя
Поздняя
Средняя
Ранняя
163
188
213
231
243
248
Пермский 30,0
Поздняя
Ранняя
258
284
Каменноугольный 74,0
Поздняя
Средняя
Ранняя
Поздняя
Средняя
Ранняя
300
320
360
374
387
408
Поздняя
Ранняя
Поздняя
Средняя
Ранняя
Поздняя
Средняя
Ранняя
421
438
448
478
505
523
540
570
Неогеновый 23,0
Ф
А
Н
Е
Р
О
З
О
Й
Мезозойская
Триасовый 35,0
Палеозойская
Ф
А
Н
Е
Р
О
З
О
Й
Палеозойская
Девонский 48,0
Силурийский 30,0
Ордовикский 67,0
Кембрийский 65,0
182
Архейская и протерозойская эонотемы, охватывающие почти 80 %
времени существования Земли, выделяются в криптозой, так как в докембрийских образованиях полностью отсутствует скелетная фауна, и палеонтологический метод к их расчленению неприменим. Поэтому разделение
докембрийских образований базируется в первую очередь на общегеологических и радиометрических данных. Фанерозойскжй эон охватывает
всего 570 млн лет, и расчленение соответствующей эонотемы отложений
базируется на большом разнообразии многочисленной скелетной фауны.
Фанерозойская эонотема подразделяется на три группы: палеозойскую,
мезозойскую и кайнозойскую, отвечающие крупным этапам естественной
геологической истории Земли, рубежи которых отмечены достаточно резкими изменениями органического мира.
Названия эонотем и групп происходят от греческих слов: «археос» –
самый древний, древнейший; «протерос» – первичный; «палеос» –
древний; «мезос» – средний, «кайнос» – новый. Слово «криптос» означает скрытый, а «фанерозой» – явный, прозрачный, так как появилась скелетная фауна. Слово «зой» происходит от слова «зоикос» –
жизненный. Следовательно, кайнозойская эра означает эру новой
жизни и т. д. Группы подразделяются на системы, отложения которых
сформировались в течение одного периода и характеризуются только
им свойственными семействами и родами организмов, а если это растения, то родами и видами. Системы были выделены в различных регионах и в разное время, начиная с 1822 г. В настоящее время выделено 12 систем, названия большей части которых происходят от тех
мест, где они впервые были описаны: например, юрская система – от
Юрских гор в Швейцарии, пермская – от Пермской губернии в России,
меловая – по наиболее характерным породам – белому писчему мелу
и т. д. Четвертичную систему нередко именуют антропогеновой, так
как именно в этом возрастном интервале появляется человек. Системы
подразделяют на два или три отдела, которым соответствует ранняя,
средняя и поздняя эпохи. Отделы, в свою очередь, разделяются на
183
ярусы, которые характеризуются присутствием определённых родов
и видов ископаемой фауны. И наконец, ярусы подразделяются на зоны, являющиеся наиболее дробной частью Международной стратиграфической шкалы, которой в геохронологической шкале соответствует время. Названия ярусов даются обычно по географическим названиям районов, где этот ярус был выделен; например, алданский,
башкирский, маастрихтский ярусы и т. д.
В то же время зона обозначается по наиболее характерному виду
ископаемой фауны. Зона охватывает, как правило, только определённую
часть региона и развита на меньшей площади, нежели отложения яруса.
Всем подразделениям стратиграфической шкалы соответствуют
геологические разрезы, в которых эти подразделения были впервые выделены, поэтому такие разрезы являются эталонными, типичными и называются стратотипами, в которых содержится только им свойственный комплекс органических остатков, определяющий стратиграфический объём данного стратотипа.
Определение относительного возраста каких-либо слоев и заключается в том, что мы сравниваем обнаруженный нами комплекс органических остатков в изучаемых слоях с комплексом ископаемых в стратотипе соответствующего подразделения Международной геохронологической шкалы, т. е. мы определяем возраст отложений относительно стратотипа.
Именно поэтому палеонтологический метод, несмотря на присущие ему недостатки, остаётся наиболее важным методом определения геологического возраста горных пород. Определение относительного возраста, например девонских отложений, свидетельствует
лишь о том, что эти отложения моложе силурийских, но древнее каменноугольных. Однако мы не можем установить длительность формирования девонских отложений и дать заключение о том, когда
(в абсолютном летоисчислении) произошло накопление этих отложе184
ний. Только методы абсолютной геохронологии способны ответить
на этот вопрос.
8.2. Характеристика основных этапов развития земной коры
В истории развития Земли выделяются эпохи длительного, более
или менее спокойного, эволюционного развития земной коры и периоды кратковременных, революционных изменений, вызывающих общую коренную перестройку лика планеты. Периодичность этих крупных геологических этапов позволила выделить естественные этапы
развития Земли.
Докембрий
Первый этап геологической истории Земли называется докембрийским, или просто докембрием, и охватывает время, в шесть – восемь раз
превышающее всю последующую историю развития Земли.
Почти полное отсутствие органических остатков в докембрии не позволяет применить палеонтологический метод при его изучении. Основную роль в расчленении и сопоставлении докембрийских образований
имеют радиоактивные методы.
Выходы докембрийских пород известны в Северной Америке, Бразилии, Африке, Австралии, Китае, на п-ве Индостан, в Скандинавии.
Докембрий широко развит на Кольском полуострове, на Украине и в
Сибири, более мелкие площади развития докембрия известны на Урале
и Тянь-Шане.
Докембрийские образования представлены обычно глубокометаморфизованными породами, залегающими в основании платформ.
В пределах бывшего СССР такими платформами являются Русская
и Сибирская.
185
В результате обособления платформ в конце докембрия происходит
заложение крупных геосинклинальных поясов: Тихоокеанского, Средиземноморского, Атлантического, Урало-Монгольского. Здесь устанавливается геосинклинальный режим с мощными движениями различных
направлений, проявлениями складчатости, процессами магматизма и метаморфизма. Складкообразовательные процессы конца докембрия известны под названием байкальской складчатости. Они проявились на
относительно небольших территориях в пределах Урало-Монгольского
пояса (Тимано-Печорский район, западное обрамление Сибирской платформы) и в других регионах.
Палеозой
Геологическая история развития земной коры в течение палеозойской эры может быть разделена на два крупных этапа – ранний палеозой
(кембрий, ордовик, силур) и поздний палеозой (девон, карбон, пермь).
В раннем палеозое в пределах геосинклинальных поясов происходило накопление мощных толщ морских осадков, переслаивающихся
с вулканическими образованиями. Начиная с конца кембрия в отдельных участках геосинклинальных поясов происходили интенсивные
складкообразовательные процессы, сопровождающиеся магматической
и метаморфической деятельностью, воздыманием отдельных областей
с образованием горно-складчатых систем. Эта складчатость получила
название каледонской, а горные сооружения – каледониды. На территории бывшего СССР в конце раннего палеозоя известны следующие районы каледонид: Восточные Саяны, Кузнецкий Алатау, Прибайкалье.
Платформенные области в раннем палеозое характеризуются интенсивными погружениями обширных участков и развитием трансгрессий
с образованием морских осадков.
186
В результате завершения каледонской складчатости в конце силура
происходят поднятия как в геосинклинальных областях, так и на платформах. На последних устанавливается континентальный режим.
В начале позднего палеозоя в геосинклинальных областях завершается формирование каледонских складчатых систем и наступает длительное погружение земной коры, сопровождающееся многократными
трансгрессиями и подводным вулканизмом. Во второй половине позднего палеозоя (средний карбон – пермь) происходит активное горообразование, сопровождающееся интрузивным и эффузивным магматизмом.
Эти тектонические движения получили название герцинской складчатости. Образование складчатых сооружений сопровождалось прогибанием
земной коры на границе платформ и подвижных поясов, приводящим
к возникновению краевых прогибов. Так, например, к концу карбона
вдоль западного края Урала сформировался Предуральский краевой
прогиб. В связи с герцинской складчатостью возникали горные сооружения Восточного Казахстана, Прибалхашья, Юго-Западного Алтая
и Южного Тянь-Шаня.
С окончанием герцинской складчатости каледонские и герцинские
области вступают в платформенный этап развития и в их пределах формируется платформенный чехол (Скифская, Западно-Сибирская, Туранская и другие плиты).
К началу девона на древних платформах устанавливается континентальный режим. Во вновь образующихся молодых складчатых областях
в первой половине девона происходит интенсивное разрушение воздымающихся каледонских горных сооружений. В это время в фундаменте
платформ возникают глубокие разломы, закладываются новые впадины.
На Сибирской платформе, например в ее западной части, в конце перми
проявляется интенсивная магматическая деятельность. По трещинам и
разломам происходило внедрение и излияние магмы основного состава
на площади в 1,5 млн км2. Такой тип магматических проявлений на
платформах называется трапповым вулканизмом.
187
Колебательные движения в девоне, карбоне, перми привели к развитию неоднократных трансгрессий и регрессий моря. К концу пермского
периода на платформах повсеместно установилась суша, за исключением сравнительно небольших участков.
Мезозой
В триасовом периоде продолжали развиваться Средиземноморский
и Тихоокеанский геосинклинальные пояса. По-видимому, к началу мезозоя приурочено возникновение Атлантического и Индийского океанов.
В конце триасового периода и в течение юрского периода происходит
складкообразование, особенно в пределах Тихоокеанского пояса. Эта
складчатость получила название киммерийской.
Вдоль берегов Тихого океана возник мощный пояс горных сооружений. В Верхояно-Чукотской области геосинклинальный режим полностью прекратил свое существование в конце юры – начале мела, и в
позднем мелу вся эта территория представляла собой горно-складчатое
сооружение. На границе с Сибирской платформой заложился Предверхоянский краевой прогиб.
Континентальный режим, установившийся на платформах в пермское время, сохранялся в течение триаса. В этот период продолжало усложняться строение континентов, образованных герцинской складчатостью. В их пределах формировались узкие грабенообразные впадины,
прогибы (Зауралье, Туранская плита), в которых накапливались продукты разрушения герцинид. На Сибирской платформе продолжалось излияние базальтов.
В средней и поздней юре Восточно-Европейская платформа неоднократно прогибалась, особенно в южной части, и море проникало в глубь
платформы. В позднеюрскую эпоху развилась одна из величайших на
земном шаре трансгрессий – широкое наступление моря на сушу. Море
перекрыло почти всю Восточно-Европейскую платформу.
188
Кайнозой
В начале кайнозоя в пределах Средиземноморского и Тихоокеанского поясов происходит интенсивное погружение. На границе эоцена
и олигоцена погружение сменяется воздыманием, сопровождающимся
складкообразовательными движениями, получившими название альпийской складчатости. В связи с последней сформировались две зоны крупных горных сооружений. Первая из них, приуроченная к Средиземноморскому поясу, включает Альпы, Карпаты, Кавказ, Крым, Памир, Гималаи. Вторая охватывает западное и восточное побережья Тихого океана. В нее входят: Корякский хребет, п-в Камчатка, о-в Сахалин, Японские острова и т. д. Эта зона характеризуется высокой сейсмичностью
и вулканизмом, особенно в западной части Тихого океана.
На платформах почти до конца палеогена сохранялась обстановка,
сформировавшаяся в позднемеловую эпоху: все впадины, прогибы, пониженные участки платформ были покрыты морем (Западно-Сибирская
низменность, юг Восточно-Европейской платформы и др.).
В конце олигоцена и в неогене в связи с общим поднятием, охватившим почти все платформенные области, произошла регрессия моря, и вся
территория платформ стала сушей. Интенсивные тектонические движения, проявившиеся в конце плиоцена, привели к омоложению рельефа
в пределах древних складчатых сооружений мезозоид, герцинид, каледонид и даже докембрийских платформ, связанному с активным проявлением разрывных движений, блоковыми перемещениями и т. п.
В конце неогена распределение моря и суши на земном шаре стало
близким к современному. Однако в течение четвертичного времени медленные колебательные движения обусловили погружение и воздымание
ряда районов Европы, Азии, Северной Америки. В раннечетвертичное
время Берингова пролива не было, и Азия соединялась с Аляской, не
существовало также Гибралтарского пролива, и Европа соединялась
с Африкой, Черное море было отчленено от Средиземного и т. д.
189
Таким образом, в истории развития земной коры прослеживаются
несколько этапов, каждый из которых начинался погружениями, а заканчивался поднятиями в континентальных областях. Во время преобладающих отрицательных движений наступала трансгрессия. В морских
бассейнах отлагались огромные массы осадков, преобразованных впоследствии в разнообразные осадочные породы. В эпохи преобладающих
восходящих движений, когда поднимались платформы, а некоторые геосинклинальные области прекращали свое существование, море отступало, начиналась регрессия и устанавливался континентальный режим.
8.3. Основные этапы развития органического мира
Периодичность геологических процессов, формирующих земную
кору, сочетается с их необратимостью, что свидетельствует о поступательном и непрерывном движении материи и о всеобщей связи и взаимозависимости явлений природы, в том числе и органического мира.
Органический мир прошел длительную и сложную эволюцию от зарождения простейших одноклеточных организмов до появления человека.
В развитии растительного мира Земли можно выделить пять
основных этапов.
Первый этап характеризуется развитием водорослей и почти полным отсутствием наземных форм; начало его уходит в глубь раннего докембрия, конец же приурочивается к середине силура.
Второй этап начинается с развитием древнейших наземных растений – псилофитов, широко развитых в силуре и девоне.
С начала позднего девона псилофиты уступают место папоротникообразным, и с этого времени начинается третий этап. Наибольшего развития флора папоротникообразных достигает в середине каменноугольного периода. В это время растительность такого типа дает начало образованию залежей каменного угля.
190
С середины пермского времени начинается четвертый этап в развитии флоры. Вытесняя папоротникообразные, все большее и большее
развитие получают голосеменные растения (хвойные, саговые). Господство голосеменных продолжалось в течение мезозоя вплоть до середины
мелового периода.
С позднемелового времени начинается пятый этап развития флоры,
характеризующийся господством покрытосеменных растений. Этот этап
продолжается и в настоящее время.
Несколько иначе располагаются во времени основные этапы развития животного мира. Всего их выделяется четыре: кембрийский,
палеозойский, мезозойский и кайнозойский.
Первый этап развития фауны относится к кембрийскому периоду.
В отложениях кембрия широко представлены три группы животных: археоциаты, беззамковые плеченогие моллюски, трилобиты (рис. 40, а).
С начала ордовикского периода начинается второй этап развития
животного мира – палеозойский. Широкое распространение получают
брахиоподы (рис. 40, б), граптолиты, четырехлучевые кораллы, иглокожие, амфибии, рептилии.
К концу пермского периода большинство палеозойских групп животных вымирают. В то же время с начала триасового периода получают
быстрое развитие многие другие группы животных, которые в палеозое
отсутствовали, – аммониты, белемниты (рис. 40, в, г), шестилучевые кораллы, высшие рептилии, т. е. на границе палеозоя и мезозоя происходит
обновление фауны беспозвоночных животных, что и определяет начало
мезозойского, или третьего, этапа развития животного мира.
К концу мелового периода вымирают наиболее характерные представители мезозойской фауны: аммониты и белемниты, плезиозавры,
динозавры и другие пресмыкающиеся, господство переходит к птицам
и млекопитающим. Тем самым определяется начало кайнозойского, или
четвертого, этапа развития животного мира.
191
Рис. 40. Схема спрединга континентальной коры
и образование молодой океанической коры (по Д. Дьюи, Д. Берду):
а – г – последовательность раскола континентальной плиты и образование океана;
разрезы: д – через Суэцкий залив; е – через Красное море.
1 – докембрий; 2 – мантия; 3 – частично переработанная континентальная кора;
4 – интрузии; 5 – океаническая кора; 6 – современные осадки;
7 – грубообломочные осадки и вулканиты
Этапы развития животного мира не имеют резких границ, смены тех
или иных групп животных происходят постоянно, хотя обновление животного мира при переходе одного этапа к другому выражено достаточно
отчетливо. Отчего же моменты пышного расцвета одних групп животных
сменялись эпохами медленного, постепенного упадка и полного вымирания ранее процветавших животных? Прежде всего, изменение органического мира определялось изменением физико-географических условий,
192
связанных с крупнейшими горообразовательными движениями, неоднократно проявлявшимися в процессе развития Земли. Эти движения оказывали существенное влияние на распределение суши и моря, на изменение рельефа древних континентов и глубины морей. Они вызывали резкие изменения климата, т. е. в итоге резко нарушали обстановку, к которой приспосабливались организмы. Одни организмы быстро реагировали
на новые условия и выдержали борьбу за существование. Другие животные, особенно обладающие резко выраженной индивидуальностью, не
сумели приспособиться к новым условиям существования, не выдержали
конкуренции с другими видами животных и полностью вымерли. Таким
образом, в течение всего геологического времени среди органического
мира наблюдается непрерывный естественный отбор.
8.4. Происхождение человека
Большинство палеонтологов и антропологов пришло в настоящее
время к единодушному мнению о большей близости предков человека
африканским антропоидам и значительной удалённости от азиатских
форм. Общий предок гоменид, шимпанзе и гориллы были вдвое моложе,
чем последний прародитель всех крупных гоминид. Отделение крупных
антропоидов от предкового ствола произошло, вероятно, от ветви человекообразных обезьян 8-7 млн лет тому назад. Кроме того, установлено,
что позднемиоценовые гоминиды были очень разнообразными, что осложнило построение эволюционного дерева.
Из наиболее вероятных далёких предков человека наиболее известный Proconsul afhcanus – прокунсул, который представлял собой неспециализированную форму человекообразной обезьяны, обитавшей на деревьях и питавшейся плодами. По своему строению это животное не было похоже ни на одну из высших обезьян. Его стопы, локтевой и плечевой суставы были, как у шимпанзе, запястья, как у низших обезьян,
а поясные позвоночники, как у гиббона.
193
В конце раннего миоцена (около 17 млн лет тому назад) произошло
установление сухопутных связей между Африкой и Евразией, что создало возможности для миграции приматов и обмена сухопутной фауной.
Степные травоядные были немногочисленны, а процветали листоядные
лесные формы.
Гоминиды Евразии разделились на две большие группы – дриоморфов и рамаморфов. К дриоморфам относились приматы с примитивными чертами гоминид, найденных преимущественно в Европе. В Азии
были распространены преимущественно рамаморфы. Название их призошло от рода Ramapithecus рамапитек, останки которого были обнаружены ещё в 1932 г. Ископаемые останки, близкие к рамапитекам, найдены в Пакистане. Возраст их оценивается как минимум 12 млн лет. Разделение африканских и азиатских гоминид должно было произойти
примерно 16 млн лет тому назад (табл. 10).
Первые настоящие гоминиды возникли примерно 4-3,75 млн лет назад в Танзании и Эфиопии. В интервале времени 2,5-2 млн лет назад
произошла адаптация африканских гоминид, а к концу этого времени
существовало три, а то и больше видов гоминид. Около 1,74 млн лет назад Homo habilis исчезает и вместо него появился Homo ereetus. Он широко распространился в Африке почти 1,6 млн лет назад.
Около 1 млн лет представители этого вида встречались в Восточной
и Юго-Восточной Азии и просуществовали примерно до даты 0,3 млн
лет назад.
Homo ereetus имел более крупный мозг (около 800 см3), чем Homo
habilis. По археологическим данным, он изготовлял крупные симметрично обработанные каменные орудия – ручные зубила, а некоторые
представители, вероятно, умели пользоваться огнём. От архаической
формы Homo ereetus идёт непрерывная линия до современной (Homo sapiens). На этой линии находится неандерталец. Однако с переходом
к современному человеку утрачивается присущая неандертальцам массивность скелета, лица и зубной системы.
194
195
Неогеновый
Эоплейстоцен
Плиоцен
Миоцен
Плейстоцен
1,6
5,1
0,8
0,01
Геохронологическая
шкала
пеэпоха
млн
риод
лет
Четвертичный
Голоцен
Каменная
Металлическая
Новая эра
174
Меднокаменный век (энеолит)
Новокаменный век (неолит)
Среднекаменный век (мезолит)
Мадлен
ПоздСолютре
ний
Ориньяк
ДревМустье
некаАшель
менШелль
ный
Дошелль
век
(палео- Ранний
лит)
Ранний железный век
Бронзовый век
Археологические эпохи,
материальная культура
100 – 35
300 – 100
400 – 300
2600 – 400
4–3
8–3
10 – 5
35 – 10
Новая эра (от 0
до наст. времени)
0–2
4–1
Тыс. лет до н. э.
Этапы развития первобытного человека
Человек выпрямленный
(1 млн лет назад)
Австралопитек развитый
(2 млн лет назад)
Австралопитек африканский (3 млн лет назад)
Рамаптек (12 млн лет назад)
Неандерталец (150 тыс. лет
назад)
Кроманьонец (10 тыс. лет
назад)
Современный человек
Вид
гоминида
Первобытное
стадо
Современное
общество
Патриархальная родовая
община
Матриархальная община
Устройство
первобытного общества
Таблица 10
Из ископаемых предков наиболее близким к современному человеку
был кроманьонец. Кроманьонцы - люди позднего палеолита, относящиеся к европеоидной расе современного вида человека, но отличающиеся
от ныне существующих антропологических типов этой расы широким
лицом, низкими орбитами и некоторыми другими признаками. Впервые
останки этих людей найдены в 1868 году в гроте Кроманьон в департаменте Дордонь на юге Франции, откуда получили своё название. В Европе и Южной Сибири кроманьонцы продлили своё существование
в неолите даже частью в бронзовом веке. Иногда кроманьонцами называют всех людей позднего палеолита, независимо от расовой принадлежности. Самые ранние находки остатков кроманьонцев датируются
40 тыс. лет. Наиболее древние находки Homo sapiens в Европе датируются (на основе исследования радиоуглеродным методом) 35-38 тыс.
лет. Время возникновения современного человека в зоне прародины, вероятно, – 50-45 тыс. лет до нашей эры.
Расселившись в разных районах суши, люди вида Homo sapiens дали
различные расы, которые мы встречаем в настоящее время. Однако относительно происхождения рас возникли две точки зрения – полицентрическая и моноцентрическая. Согласно теории полицентризма, становление
современного человека происходило в нескольких районах (центрах) относительно независимо друг от друга и различными темпами. От древнейших людей и их потомков, обитающих в каждой области, происходил
человек современного образа, формировавшийся в виде конкретной
большой расы – европеоидной, австралоидной, монголоидной и т.д. В качестве доказательства этой теории обычно приводят наличие сходных
признаков у представителей современных рас и ископаемых людей, кости
которых были найдены на территории обитания этих рас.
В противоположность этим представлениям по моноцентрической
теории современный человек появился в пределах одного центра. Однако этот центр или, скорее, область охватывала частично Среднюю
и Южную Азию, Северо-Восточную Африку. В этих областях происхо196
дило смешение различных групп прогрессирующих палеоантропов, что
обогащало генофонд этих популяций и формировало их в направлении
к человеку современного вида.
8.5. Современные представления о формировании земной коры
Представления о закономерностях формирования земной коры развивались на протяжении длительного времени, по мере накопления фактического материала, совершенствования геологических и геофизических методов исследований. Особое значение на современном этапе развития теоретической геологии имеют данные, полученные при изучении
обширных океанических территорий, и результаты космических исследований.
8.5.1. Гипотезы изменяющегося объёма Земли
Попытки объяснения современной морфологии нашей планеты
и строения земной коры неотделимы от представлений о происхождении
Земли. Классической геотектонической гипотезой, развивающей идею
«горячего» происхождения Земли (по Канту и Лапласу), является контракционная гипотеза, разработанная в 1852 году французским геологом
Эли де Бомоном. В развитии этой гипотезы участвовали такие крупнейшие зарубежные и русские геологи, как Э. Зюсс, Г. Штилле, А. П. Карпинский, И. В. Мушкетов и др.
Контракционная гипотеза основана на предположении о медленном остывании Земли, сопровождающемся уменьшением её объёма. Образовавшаяся на поверхности Земли в результате остывания твёрдая кора при уменьшении внутреннего объёма подвергается смятию и дроблению. Согласно таким представлениям, зоны смятия коры соответствуют
зонам складкообразования, а по крупным разрывам коры происходит
197
обрушение (проваливание) крупных блоков с образованием крупных
океанических впадин.
В качестве доказательств сокращения внутреннего объёма Земли использовались данные о смятии пластов в современных горных сооружениях. Так, подсчитано, что Альпы, ширина которых в настоящее время
около 250 км, в момент формирования слагающих их пород должны были простираться на 600-1200 км. В соответствии с контракционной гипотезой, последующее сжатие пород только в Альпах привело к сокращению окружности Земли на 3 % и уменьшению её радиуса на 19 км.
Учёт сокращения площади в пределах других горных сооружений приводит к выводу, что сокращение радиуса Земли должно было быть значительным, измеряемым сотнями километров. Физическое обоснование
такого сокращения объёма Земли при её остывании отсутствует. Кроме
того, современные данные свидетельствуют о «холодном» происхождении Земли, а последующий её разогрев тем более не мог сопровождаться
сокращением объёма.
Однако, несмотря на то, что физико-геологические основы контракционной гипотезы в целом не подтвердились, многие её разработки были прогрессивными для своего времени. Несомненным достоинством её
является разработка учения о геосинклинальном, орогенном и платформенном этапах развития земной коры, не утратившего своего значения
и в наши дни.
В последние годы получены данные о том, что процессы контракции, возможно, играют некоторую роль в формировании литосферы.
В частности, установлено, что фактическое замедление вращения Земли
меньше расчётного, обусловленного воздействием только сил приливного торможения. Предполагают, что это может быть связано с сокращением размеров Земли, при котором происходит некоторое увеличение
скорости её вращения, компенсируемое приливным торможением. По
подсчётам, сокращение радиуса Земли достигает 4,5 см в столетие.
198
Другими косвенными подтверждениями возможного проявления
конт-ракции является предположение о современном остывании (а не
разогреве) Земли, сделанное исходя из наблюдаемого в геологической
истории уменьшения интенсивности вулканизма; вывод о преобладании
нисходящих движений над восходящими, основанный на количественной оценке крупных вертикальных движений блоков литосферы; доказательство возможности полиморфных превращений минералов под давлением (например, переход оливина в шпинель сопровождается уменьшением объёма на 10-15 %) и т. д.
Таким образом, современные данные допускают возможность проявления процессов сжатия литосферы под действием сил контракции,
хотя и не в тех масштабах, которые предусматривались контракционной
гипотезой.
Практическое отсутствие складок и небольшая мощность земной
коры океанического типа, выявленные при изучении дна океанов, позволили предположить, что основным планетарным видом деформаций является не сжатие, как это следует из контракционной гипотезы, а растяжение. На этом предположении основана гипотеза расширяющейся
Земли, сформулированная в конце XIX века М. Ридом. Позже в её разработке принимали участие Б. Линдеман, И. В. Кириллов, Л. Эдьед,
У. Кери и др.
В соответствии с этой гипотезой в первоначальном состоянии Земля
имела плотность 9,13 г/см3, а не 5,52 г/см3, и радиус её был равен
5430 км (при современном значении 6371 км). При этом вся поверхность
нашей планеты была покрыта мощной корой, аналогичной современной
континентальной коре. В результате разогрева и расширения Земли возникли глобальные разрывы и отдельные фрагменты коры раздвинулись,
образовав современные континенты.
Гипотеза предполагает увеличение поверхности нашей планеты за
последние 345 млн лет более чем в 2 раза. Такое значительное возрастание размеров Земли не имеет физического обоснования, более того, ги199
потезе противоречат геологические данные. Так, значительное увеличение планеты должно было бы сопровождаться резким замедлением скорости её вращения (увеличением продолжительности суток, сокращением числа дней в году), кроме того, изменилась бы величина силы тяжести, что должно было бы отразиться в эволюции растений и животных.
Однако следов таких существенных изменений в геологической истории
не обнаружено. К тому же попытки «реконструировать» древнюю континентальную кору из современных континентов приводят к необходимости не только их значительных перемещений, но и сложного вращения, что не могло произойти при простом «расползании» континентальных глыб.
Синтез двух приведённых гипотез содержится в пульсационной гипотезе, разработанной американским геологом В. Бачером и получившей
развитие в работах советских геологов М. А. Усова и В. А. Обручева.
Согласно этой гипотезе, Земля периодически испытывает расширение, сменяющееся периодами сжатия. В целом преобладает сжатие, приводящее к сокращению размеров Земли. В эпохи расширения развиваются вертикальные движения, появляются разрывы в коре, интенсивно
проявляется магнетизм. Для эпох сжатия характерно складкообразование, затухание магматизма. Пульсационная гипотеза также практически
не имеет физического обоснования. Она не объясняет, почему складкообразованию подвергаются в основном участки мощной континентальной коры, почему в геосинклинальных областях зоны сжатия часто соседствуют с зонами растяжения, и т. д. Тем не менее пульсационная гипотеза является шагом вперёд по сравнению с предыдущими гипотезами, так как содержит объяснение деформаций растяжения и сжатия,
обоснования периодичности эпох складчатости.
200
8.5.2. Гипотезы горизонтального дрейфа континентов
Новое толкование геотектонических процессов родилось из предположения о горизонтальном дрейфе континентов. Непосредственным
указанием на возможность горизонтальных перемещений крупных блоков земной коры является удивительное сходство берегов Атлантического океана, особенно в Южном полушарии. Факт сходства очертаний
восточных берегов Южной Америки и западных берегов Африки был
замечен давно, но только в начале XX века послужил основой для одной
из наиболее популярных геотектонических гипотез, разработанной
в 1915 г. немецким учёным А. Вегенером.
Гипотеза Вегенера открыла новую страницу в изучении механизма
и последовательности неотектонических процессов, впервые предложенных для их объяснения. Горизонтальный дрейф континентов лёг
в основу целого направления в геотектонике, получившего название
мобилизма, в отличие от господствовавших ранее представлений фиксизма, не допускавших крупномасштабных горизонтальных перемещений блоков земной коры.
Ещё более удивительным, чем сходство береговых очертаний Атлантического океана, явилось установленное А. Вегенером сходство
геологического строения континентов, разделённых тысячами километров. Так, при совмещении карт Южной Америки и Африки отмечается
совпадение их строения по целому ряду геологических признаков. Капские горы на юге Африки продолжаются в сходных с ними по строению
и составу складчатых горах вблизи Буэнос-Айреса, близки в геологическом отношении гнейсовое плато в Африке и плоскогорье в Бразилии
и т. д. При более детальном изучении обнаруживается сходство в составе
одновозрастных пород и т. д. Эти и другие геологические факты легли
в основу гипотезы А. Вегенера. сущность которой состоит в следующем.
В конце каменноугольного периода современные континенты представляли собой один суперконтинент – Пангею. В мезозое начались
201
дробление Пангеи и дрейф остальных континентальных глыб в направлении к их современному положению. Образование складчатости А. Вегенер объяснил смятием внешних кромок перемещающихся глыб (Кордильеры, Анды) или их столкновениями (Гималаи); периодичность
складкообразования связывалась с последовательным дроблением и
распадом Пангеи.
Предложенную гипотезу горизонтального дрейфа континентов
А. Вегенер пытался обосновать палеонтологическими и палеоклиматическими данными, которые имелись в начале XX в. Однако некоторые
из этих данных оказались спорными, а самое главное, не выдержал критики механизм перемещения континентальных глыб, предложенный
А. Вегенером. По его мнению, распад Пангеи и дрейф континентов обусловлены приливными силами лунно-солнечного притяжения и ротационными силами вращения Земли, под действием которых более лёгкие
гранитные континентальные глыбы начали скользить по поверхности базальта, постепенно удаляясь друг от друга. Однако расчеты показали, что
эти силы недостаточны для такого перемещения континентальных глыб.
Позже, в 1937 г., представления А. Вегенера были развиты в гипотезе южноафриканского геолога А. Дю Тойта. По этой гипотезе, учитывающей новые палеоклиматические и палеонтологические данные, допускалось существование не одного, а двух первичных материков – Лавразии в Северном полушарии и Гондваны – в Южном. Для гипотезы
А. Дю Тойта характерна детальная обоснованность геологическими данными. Более изучена геологическая история Гондваны, представлявшей
собой в палеозое гигантский континент площадью около 75 млн км2.
В пределах Гондваны детально прослежены положения палеоклиматических зон, области верхнепалеозойского оледенения, единые зоны
формирования хемогенных пород (гипса, каменной соли), каменного угля и т. д.
202
В результате распада Гондваны в мезозойско-кайнозойское время
произошло обособление современных континентов Южного полушария
и Индостана, при столкновении которого с Азией образовались Гималаи.
Существенным недостатком гипотезы явилось отсутствие её физического обоснования, которое имело качественный, описательный характер.
Иной механизм перемещения континентальных глыб был разработан в 1929 г. американским учёным А. Холмсом. Его гипотеза подкоровых течений предполагает существование в мантии (субстрате) медленных конвективных потоков, обусловленных различным накоплением тепла под континентами и океанами. Восходящие конвективные потоки
приводят к разрыву коры, раздвиганию блоков и образованию молодого
океанического дна. В районах нисходящих потоков, наоборот, блоки
сталкиваются, сминаются, образуя системы надвигов, шарьяжей, а глубинные слои коры даже вовлекаются в мантию, переходя в глубинные
аналоги базальтов – эклогиты.
Можно отметить, что с разработкой гипотезы А. Холмса идеи мобилизма получили новый импульс, обусловивший их широкую популярность и в наши дни. Кроме того, в последние годы при изучении строения дна океанов получены новые данные, которые также используются
для подтверждения возможности горизонтального дрейфа. Эти данные
послужили основой гипотезы новой глобальной тектоники, или тектоники плит. Гипотеза разработана американскими учёными Г. Хессом
и Р. Дицем. Значительный вклад в её развитие внесли зарубежные и советские геологи Кс. Ле Пишон, А. Миясиро, О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков и др.
Основные идеи, положенные в основу гипотезы тектоники плит,
связаны с открытием зон формирования молодой океанической коры
в зонах рифтообразования и зон поглощения коры у глубоководных желобов. По мнению авторов гипотезы, в зонах рифтообразования происходит «раздвигание» плит литосферы с образованием молодой океанической коры в центральной рифтовой зоне. Это явление называется
203
спредингом океанического дна, характеризуется прерывистостью, сопровождается внедрениями мантийного вещества из астеносферы и разрывами маломощных базальтов в рифтовой зоне (см. рис. 40). С этой активной зоной связаны проявления вулканизма, неглубокие зоны землетрясений и аномалии теплового полока.
Рис. 41. Схема субдукции и обдукции океанической коры (по Д. Паккэму, Д. Фалви):
Система окраинное море – островная дуга: а – молодая (10-40 млн лет);
б – зрелая (100-250 млн лет); в – деформированная.
I – континент; II – окраинные моря; III – островная дуга (вулканическая или континентальный
отторженец); IV – метаморфизм в условиях низких давления и температуры;
V – то же в условиях высоких давления и температуры.
Кора: 1 – континентальная; 2 – островодужная; 3 – океаническая; 4 – осадки; 5 – интрузии
Образование новой коры в зонах спрединга сопровождается поглощением блоков (плит) литосферы в других участках нашей планеты. По
мнению авторов гипотезы, такими участками являются зоны глубоководных океанических желобов, в которых происходит прерывистое поддвигание одной плиты литосферы под другую (рис. 41). Это явление называется субдукцией, сопровождается кратковременным выделением
значительной механической энергии в виде землетрясений, проявлений
вулканизма. Длительное поддвигание океанической коры под континентальную приводит к деформации окраинного моря, смещению остров204
ной дуги к континенту и складкообразованию. При этом поддвигание
может смениться развитием обширных надвигов океанической коры –
абдукцией.
Другим путём образования орогенных зон, по мнению авторов гипотезы, является столкновение – коллизия континентов. Так, они считают, что образование Гималаев произошло в результате столкновения
Индийского субконтинента с Азией.
Важным подтверждением механизма спрединга явились результаты
палеомагнитных исследований последних лет. Довольно высокая остаточная намагниченность базальтов, слагающих океаническое дно, позволяет регистрировать направление магнитного поля прошлых эпох.
Инверсии поля обусловливают полосовой характер магнитных аномалий, а по известной продолжительности межинверсионных эпох и ширине базальтовых новообразований можно определить скорость «раздвигания» плит.
Гипотезе субдукции соответствуют и данные о строении островных
дуг. Фокусы глубоких землетрясений здесь располагаются в довольно
узкой плоскости, уходящей под островную дугу под углом 40-60°. Эта
область фокусов землетрясений, называемая зоной Заварицкого – Беньоффа, связывается с областью погружения океанической коры, прерывистое поддвигание которой и является причиной землетрясений.
Движущие силы механизма перемещения блоков литосферы авторы
гипотезы тектоники плит связывают с конвективным перемешиванием
мантийного вещества, что близко к взглядам А. Холмса. Однако в отличие от положений гипотезы подкоровых течений, в соответствии с рассматриваемой гипотезой потоки мантийного вещества здесь замыкаются
на уровне астеносферы; участки горизонтального движения потоков выполняют роль «липкого конвейера», на котором перемещаются жесткие
плиты литосферы, состоящие из слоев коры и верхней мантии.
Таким образом, в соответствии с гипотезой тектоники плит под действием потоков мантийного вещества происходят глобальные переме205
щения континентов, но не изолированно, как считал А. Вегенер, а в составе мощных плит литосферы. При таком горизонтальном перемещении плит в зонах спрединга происходит обновление коры, а в зонах субдукции – её поглощение и растворение в астеносфере.
По современным данным, литосфера состоит из семи крупных плит,
ограниченных зонами спрединга, субдукции или смятия: Тихоокеанской, Евразиатской, Индийской, Африканской, Антарктической, СевероАмериканской и Южно-Американской. Кроме того, выделяется ряд более мелких «обломков» литосферы, так называемых микроплит: Наска,
Кокос и др. Каждая плита обладает главным направлением перемещения
от зоны спрединга к зоне субдукции. Шесть плит (кроме Тихоокеанской)
содержат в литосфере континенты или их части, которые участвуют
в перемещении блоков.
Гипотеза тектоники плит позволяет свести все основные геотектонические процессы к процессам взаимодействия блоков. Складкообразование и горообразование в соответствии с этой гипотезой могут быть
обусловлены, например, субдукцией океанической коры у края континента, где происходит «соскабливание» океанических осадков. При субдукции могут происходить деформация и воздымание континентальной
плиты, а столкновение таких плит приводит к образованию наиболее
высоких горных сооружений (Гималаи).
Гипотеза тектоники плит даёт стройную картину геотектонических
процессов, основанную на данных геологии океанического дна. Вместе с
тем некоторые факты не получают убедительного объяснения в рамках
этой гипотезы. Можно отметить, например, слабое обоснование тепловой конвекции в мантии. Условием конвекции является высокая однородность вещества мантии, что, по-видимому, не соответствует действительности. Наличие горизонтальных сейсмических границ раздела в
мантии свидетельствует об изменениях физического состава различных
её слоев, а следовательно, об отсутствии радиальных конвективных потоков. Другим недостатком рассматриваемой гипотезы является слабая
206
аргументация субдукции. «Заталкивание» в мантию на глубину до
700 км твёрдой литосферы недостаточно обосновано с точки зрения физики. Кроме того, сам факт наличия здесь системы глубинных разломов,
пересекающих не только литосферу, но и более глубокие слои мантии
(до 700 км), не увязывается с возможностью широких горизонтальных
перемещений плит или существенно ограничивает эту возможность.
8.5.3. Гипотезы внутренней дифференциации вещества Земли
Основой гипотез внутренней дифференциации вещества Земли является представление о разогреве мантии или отдельных её слоев; одна
из первых гипотез этого направления - гипотеза радиоактивных циклов предложена Д. Джоли в 1929 г. Главной движущей силой геотектонических процессов Д. Джоли считал динамику разогрева и остывания блоков земной коры, приводящую в основном к их вертикальным перемещениям. В соответствии с гипотезой Джоли под континентами накапливается глубинное радиогенное тепло, что периодически приводит к
плавлению базальтового слоя, «проседанию» гранитных блоков, трансгрессии моря на континентах, интенсивной теплоотдаче и остыванию.
При этом сокращение линейных размеров гранитных блоков обусловливает складкообразование и воздымание блоков, а следовательно, регрессию моря. В дальнейшем весь цикл радиогенного разогрева – проседание, сокращение размеров и воздымание - повторяется с периодом 3050 млн лет. Характерно, что Д. Джоли допускал возможность горизонтального перемещения континентов по расплавленному базальтовому
слою под действием сил лунно-солнечного притяжения.
Несомненным достоинством гипотезы Джоли явилась попытка объяснения периодичности геотектонических процессов. Однако физическое обоснование гипотезы не выдержало проверки геологическими
фактами. Так, было установлено, что температура плавления базальта
выше, чем гранита, периодический процесс разогрева и охлаждения
207
подкорового слоя должен довольно быстро прекратиться, силы лунносолнечного притяжения недостаточны для перемещения континентальных глыб и т. д.
Последующие гипотезы связывают разогрев Земли с возникновением в мантии тепловых потоков конвективного перемешивания. Этот
процесс тесно связан с сепарацией вещества мантии по плотности, так
как с повышением температуры легкоплавкие компоненты вещества
мантии приобретают подвижность и могут перемещаться под действием
силы тяжести. Таким образом, речь идёт о термогравитационной дифференциации вещества мантии, на которой основано большинство современных геотектонических гипотез.
По гипотезе советского учёного В. В. Белоусова, предложенной
в 1942 г., ведущая роль принадлежит вертикальным движениям земной
коры. Радиогенный разогрев и плавление магмы приводят к дифференциации её вещества и всплыванию лёгких компонентов гранитного состава. При этом в очагах концентрации радиоактивных веществ происходят растяжение и разрывы коры, вулканические взрывы и образование
гор и сопряжённых с ними прогибов. Позже В. В. Белоусов пришёл
к выводу, что основным фактором эволюционного формирования земной коры является гравитационная дифференциация, радиогенное тепло
является вспомогательным источником энергии. Активной зоной дифференциации вещества, по В. В. Белоусову, является астеносфера. Здесь
происходит выплавление базальта в виде капель, которые объединяются
в крупные глубинные диапиры – астенолиты. Массы расплавленного
базальта, будучи более лёгкими, чем окружающее вещество астеносферы, по разломам верхней мантии поднимаются вверх, достигая земной
коры и даже прорываясь на поверхность. Подъём астенолитов сопровождается воздыманием земной коры. Дифференциация вещества мантии
проявляется также в выделении тяжёлых остаточных масс – антиастенолитвв, погружение которых сопровождается опусканием земной коры.
208
В разработке гипотезы В. В. Белоусов придаёт особое значение проницаемости коры относительно поднимающихся снизу базальтовых
масс, выплавляемых в астеносфере. Характер проницаемости по существу и определяет вид режима земной коры. При рассеянной проницаемости поднимающийся базальт пронизывает литосферу густой сетью каналов. Проникающая вместе с базальтом ультраосновная магма приводит
к изменению состава – «базификации» коры, её утяжелению и опусканию. Этот этап соответствует геосинклинальному режиму, при котором,
в соответствии с гипотезой В. В. Белоусова, происходит закрытие большинства существовавших ранее каналов и образование «сосредоточенной» проницаемости, связанной с отдельными системами глубинных
разломов. Диапировые внедрения вызывают дифференцированные вертикальные перемещения отдельных блоков. При этом накопление подкорового тепла и ряд физико-химических процессов обусловливают общий метаморфизм коры, приводящий к её гранитизации и «облегчению». Поэтому в данных условиях, соответствующих орогенному режиму, восходящие движения преобладают над нисходящими.
Остывание внедрившихся масс, сопровождающееся интенсивной
денудацией, приводит к стабилизации коры, выравниванию её рельефа
и переходу к платформенному режиму.
Периодичность этапов складчатости, по мнению В. В. Белоусова,
обусловливается прерывистым, периодическим характером выплывания
жидких компонентов из мантии.
В целом гипотеза В. В. Белоусова объясняет практически всё многообразие особенностей развития коры (литосферы) в различных геотектонических режимах. Характерной её чертой является объяснение геотектонических процессов только вертикальными движениями; автор не
допускает возможности крупных перемещений блоков земной коры.
Складкообразование и надвиги он считает вторичными процессами, связанными с гравитационным соскальзыванием рыхлых осадков со склонов воздымающихся блоков и т. д.
209
Таким образом, в соответствии с гипотезой В. В. Белоусова, геотектонические процессы обусловлены только вертикальными колебательными движениями, механизм которых связан с дифференциацией вещества мантии. Завершение дифференциации соответствует переходу
к платформенному, более стабильному режиму развития земной коры.
К недостаткам гипотезы В. В. Белоусова следует отнести объяснения природы и механизма горизонтальных тектонических движений
в тех масштабах, в каких они наблюдаются.
Механизм глубинной дифференциации мантийного вещества изучен
пока недостаточно, однако многие исследователи, особенно в последние
годы, уделяют ему всё большее внимание.
На одном из проявлений гравитационной дифференциации основана
широко распространённая изостатическая гипотеза, исходящая из
предположения об изостатическом равновесии блоков литосферы с вязкой астеносферой, на которой они «плавают» в соответствии с законом
Архимеда. При этом более высоким блокам (например, горным сооружениям), соответствуют более глубокие «корни», уходящие в астеносферу. Воздействие экзогенных факторов приводит к перераспределению нагрузок на поверхности плит и нарушению равновесия. Так, таяние крупного ледника на территории Скандинавского полуострова привело к снижению нагрузки и современному воздыманию этого блока литосферы.
Изостатическая гипотеза подтверждается сейсмологическими данными, в соответствии с которыми участкам повышенного рельефа земной коры действительно соответствуют глубокие прогибы поверхности
Мохоровичича.
Кроме приведённых предложен ещё ряд гипотез, удовлетворительно
объясняющих одни стороны геотектонических процессов, но оставляющих без объяснения другие. Однако пока не разработана теория, которая
в полном соответствии с геологическими фактами объяснила бы все
210
особенности эволюции земной коры и природу движущих сил геотектонических процессов.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Чем занимается историческая геология?
2. Какие существуют методы определения возраста горных пород?
3. Что такое геохронологическая и стратиграфическая шкалы?
4. Каковы основные особенности развития Земли в докембрии, палеозое,
мезозое и кайнозое?
5. В чем заключается различие между фиксизмом и мобилизмом?
6. В чём заключается сущность гипотез изменяющегося объёма Земли?
7. В чем заключается сущность гипотезы горизонтального дрейфа континентов?
8. Что такое спрединг, субдукция, обдукция и коллизия?
9. В чём заключается сущность гипотезы внутренней дифференциации
вещества Земли?
211
Часть II
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Глава 9
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ,
ПРОВОДИМЫЕ В ПРОЦЕССЕ РАЗВЕДКИ
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
9.1. Общие сведения
Гидрогеология – наука о подземных водах, находящихся во взаимодействии с горными породами, их происхождении, составе и свойствах,
распространении и движении.
Инженерная геология – наука, изучающая свойства горных пород,
физико-геологические явления и их изменение под влиянием естественных и искусственных факторов.
Гидрогеология и инженерная геология, являясь отраслями геологии,
имеют тесную связь со смежными науками метеорологией, гидрологией,
гидравликой, почвоведением, геохимией, физикой, строительным и горным делом.
Подземные воды играют существенную роль в повседневной жизни
и деятельности человека; они являются источником водоснабжения многочисленных городов, промышленных предприятий и сельских населённых пунктов. Их широко используют в лечебных целях (минеральные
воды) как промышленное сырьё для получения растворённых в воде минеральных компонентов, как источник тепла при их повышенной темпе212
ратуре (термальные воды) и как индикатор при поисках месторождений
полезных ископаемых.
Наличием подземных вод в горных породах в жидкой, парообразной и твёрдой фазах в значительной мере определяются их инженернотехнические свойства, от которых зависят условия строительства производственных и жилых зданий, горных предприятий и гидротехнических
сооружений, автомобильных и шоссейных дорог и т. д.
Огромное значение подземные воды имеют при сельскохозяйственном освоении территорий; с ними тесно связаны проблемы водоснабжения, орошения, осушения заболоченных массивов и ряд других вопросов.
Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования
предшествуют всякому более или менее крупному строительству и являются обязательными при обосновании различных стадий проектирования сооружений.
В гидрогеологии выделяются следующие основные научные направления: общая гидрогеология, гидрохимия, динамика подземных вод,
криогидрогеология, региональная гидрогеология, горнопромышленная
гидрогеология.
Выделяются следующие основные разделы инженерной геологии:
инженерная петрология (грунтоведение), инженерная геология массивов
пород, инженерная геодинамика, региональная инженерная геология,
горнопромышленная инженерная геология.
Приобретение навыков использования гидрогеологической и инженерно-геологической информации позволяет оценить свойства пород,
условия производства горных работ, прогнозировать поведение массивов при строительстве и эксплуатации горных объектов, разрабатывать
специальные и технические мероприятия по обеспечению безопасности
и экономической эффективности горных разработок с учётом требований охраны окружающей среды.
213
9.2. Гидрогеологические исследования
Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования проводятся на месторождении, а также на прилегающей территории, которая, с одной стороны, по геологическому строению, геоморфологии,
тектонике, гидрогеологическим и инженерно-геологическим особенностям определяет условия освоения этого месторождения, а с другой –
может оказаться в сфере влияния будущего горнодобывающего предприятия. Полнота и глубина изучения определяются необходимостью
оценки гидрогеологических и инженерно-геологических условий как
самого полезного ископаемого, так и вмещающих и нижележащих комплексов, способных оказывать влияние на условия разработки месторождения.
9.2.1. Факторы, влияющие на обводнение
месторождений полезных ископаемых
При разработке месторождений полезных ископаемых (МПИ) подземные воды часто создают серьезные помехи эксплуатационным работам. Такие воды называются шахтными, или рудничными.
Поступление подземных вод в горные выработки обусловливается
рядом естественных и искусственных факторов. К естественным факторам обводнения относятся атмосферные осадки, просачивание воды
из поверхностных водотоков и водоемов, рельеф местности, литологический состав и строение вмещающих пород, глубина горных выработок. Искусственными факторами являются влияние старых затопленных выработок и нетампонированных разведочных скважин, принятая
система ведения горных работ.
Обводненность горных выработок при небольшой глубине залегания полезного ископаемого находится в прямой зависимости от количества выпадающих атмосферных осадков. В открытые горные выра214
ботки (канавы, шурфы и карьеры) осадки поступают в виде поверхностного стока. При этом приток воды в горные выработки увеличивается на
30-40 %, а иногда на 200-300 % и больше по сравнению со среднегодовым притоком. Так, на одной из шахт в Эстонии, где разрабатываются
горючие сланцы, летом и зимой приток воды не превышает 435 м3/ч, а в
период весеннего снеготаяния он увеличивается до 4620 м3/ч, т. е. больше чем в 10 раз. Просачивание воды из поверхностных водотоков и водоемов может происходить непосредственно из открытых водотоков или
сквозь аллювиальные отложения.
Рельеф местности. Обводненность горных выработок зависит
в значительной мере от отношения их абсолютных отметок к местному
базису эрозии и изрезанности рудного (шахтного) поля овражнобалочной системой. Наименьшая обводненность характерна для горных
выработок, приуроченных к водораздельным пространствам со слаборасчлененным рельефом и отсутствием обнажений коренных пород.
И, наоборот, сильно обводненными являются горные выработки, расположенные в долинах рек или под их руслами.
Литологический состав и строение вмещающих пород – их минеральный и гранулометрический состав, пористость и пластичность
в значительной мере предопределяют обводненность горных выработок.
Так, повышенной обводненностью характеризуются месторождения,
в геологическом разрезе которых широко развиты карстующиеся породы (известняки, гипсы, ангидриты) или рыхлые обломочные породы,
легко пропускающие воду. Меньшей обводненностью отличаются месторождения, сложенные пластами осадочных сцементированных пород
(песчаниками, аргиллитами, глинистыми сланцами); глинистые породы
при этом представляют собой водоупорные горизонты, изолирующие
смежные водоносные пласты.
Существенное влияние на степень обводненности оказывает тектоническое строение вмещающих пород, в первую очередь наличие на
месторождении разрывных нарушений. При вскрытии горными выра215
ботками зон тектонических нарушений, особенно сбросов, раздвигов
и т. д., отмечается сосредоточенное, иногда катастрофическое поступление воды в горные выработки.
По мере увеличения глубины горных выработок их обводненность,
характеризующаяся притоком воды и коэффициентом водообильности,
может и уменьшаться, и увеличиваться. Это зависит от степени трещиноватости горных пород, их литологического состава, вскрытия межпластовых, трещинных или других типов подземных вод и т. д.
Влияние старых выработок и незатампонированных скважин.
В старых заброшенных выработках нередко накапливаются значительные объемы подземных вод, которые могут прорваться в действующие
горные выработки. По окончании бурения каждая разведочная скважина
обычно ликвидируется: из нее извлекают обсадные трубы, а скважину
заполняют жирной глиной или цементом. Это делается для того, чтобы
вода из водоносных горизонтов, залегающих среди пород кровли и подошвы пласта полезного ископаемого, не смогла прорваться в горные
выработки при их проходке. Из-за плохого тампонирования скважин вода может проникать в горные выработки.
Принятая система ведения горных работ. Неправильное ведение
горных работ и неудачный отвод откачиваемых шахтных (рудничных)
вод могут привести к значительному поступлению воды в горные выработки. В этих случаях необходимо проводить специальные работы, в частности, ограждающие поверхность шахтного (рудного) поля от скопления атмосферных осадков и сбрасываемых шахтных (рудничных) вод
или обеспечивающие защиту пласта полезного ископаемого от близко
залегающих открытых водотоков, водоносных отложений и т. д.
216
9.2.2. Гидрогеологическая классификация
месторождений полезных ископаемых
Существует ряд классификаций месторождений полезных ископаемых по условиям обводненности. Рассмотрим одну из них.
В зависимости от характера и водообильности пород, слагающих
кровлю и подошву полезного ископаемого, П. П. Климентов в 1967 г.
разработал гидрогеологическую классификацию месторождений, в которой выделено восемь типов.
I тип – месторождения, в разрезе которых широко развиты карстующиеся породы (карбонатные и сульфатные). Такие месторождения
характеризуются наиболее высокой водообильностью – приток воды
в выработки отдельных шахт иногда превышает 2000 м3/ч. К типу I обводненности относится довольно много месторождений полезных ископаемых: некоторые на Северном Урале, Кизеловский каменноугольный
бассейн и др.
II тип – месторождения, располагающиеся в толщах несцементированных зернистых пород – песчаных, песчано-галечных и песчаноглинистых. Водообильность этих месторождений довольно высока и зависит как от литологического состава пород, развитых в кровле и почве
пласта полезного ископаемого, так и от современных эрозионногеографических факторов. Отдельные шахты месторождений типа II характеризуются относительно высоким водопротоком, достигающим 100300 м3/ч, а иногда и более. К этому типу принадлежат многие месторождения бурых углей, огнеупорных глин, марганца, фосфоритов, некоторые железорудные месторождения и россыпи олова, золота, платины,
вольфрама и др.
III тип – месторождения, в геологическом разрезе которых преобладают трещиноватые и в меньшей мере участвуют песчаные породы.
Водообильность таких объектов определяется степенью трещиноватости, количеством рыхлых песчаных образований, а также физико-геогра217
фическими условиями. На месторождениях данного типа атмосферные
осадки преобладают над величиной испарения. При наличии гидравлической связи с поверхностными водами водоприток в шахты таких месторождений может достигать 400-600 м3 /ч.
IV тип – месторождения, приуроченные к скальным трещиноватым
породам. Водообильность их обусловливается степенью трещиноватости и тектонической нарушенности пород, а также физико-географическими условиями. Для месторождений этого типа характерны относительно слабая водопроницаемость пород, резко континентальный климат, малое количество атмосферных осадков и отсутствие крупных рек
и водоемов. Водопритоки в горных выработках, пройденных на этих месторождениях, обычно не превышают 50-150 м3/ч.
К этому типу относятся слабообводненные месторождения цветных
и редких металлов, некоторые каменноугольные бассейны (Донбасс),
большинство железорудных месторождений, некоторые месторождения
строительных материалов.
V тип – месторождения с любым геологическим разрезом, расположенные на междуречных пространствах с относительно высокими абсолютными отметками или в горных районах с сильно расчлененным
рельефом. Нередко эти месторождения размещаются выше местного базиса эрозии и поэтому хорошо дренированы. В некоторых районах разработка полезных ископаемых ведется при помощи штолен; приток воды в выработки небольшой, и борьба с рудничными водами не представляет особых трудностей.
VI тип – соляные месторождения. Легкорастворимые галогенидные
месторождения целесообразно выделить в отдельный тип не только
вследствие хорошей растворимости соляных залежей в воде, но и потому, что в соляной толще, обладающей высокой пластичностью, возникающие трещины быстро закрываются. Это одна из главных причин,
обусловливающих отсутствие воды на ряде соляных месторождений.
Другой причиной служит то обстоятельство, что на соляных месторож218
дениях полезное ископаемое часто покрывается мощными глинистыми
толщами, предохраняющими его от размыва. Поэтому соляные рудники
обычно воды не содержат.
VII тип – месторождения, расположенные в толще многолетней
мерзлоты. Большинство месторождений, разрабатываемых в районах
многолетней мерзлоты, являются слабообводненными или сухими.
VIII тип – нефтяные и газовые месторождения. На этих месторождениях различают пластовые и подземные воды, распространенные по
границам нефтяной залежи (краевые), и воды, подстилающие нефтяную
залежь (подошвенные). Кроме того, в нефтяные и газовые месторождения проникают безнапорные и напорные воды кровли, а также напорные
воды, залегающие ниже подошвенных вод, если они обладают высоким
напором.
9.2.3. Меры борьбы с подземными водами
Проведение горных работ в условиях обводненности невозможно
без планового осуществления дренажных мероприятий, направленных
прежде всего на осушение разрабатываемых месторождений полезных
ископаемых. Осушение может быть предварительным и параллельным,
Предварительное осушение выполняется при сложных гидрогеологических условиях, например, при наличии в кровле и подошве водоносных горизонтов, и реализуется тремя способами: поверхностным,
подземным и комбинированным. Поверхностный способ сводится к
проходке дренажных канав и колодцев, бурению водопонижающих
и водопоглощающих скважин; через последние воды сбрасываются из
обводненного надрудного горизонта в подрудный водоносный горизонт,
из которого откачиваются через водопонижающие скважины.
Подземный способ осушения осуществляется путем проходки по
полезному ископаемому специальных выработок (штреков, уклонов
219
и т. д.), в кровле которых устанавливаются забивные или сквозные
фильтры, а в почве проводятся дренажные канавы.
Комбинированный способ сочетает в себе элементы поверхностного
и подземного способов осушения: часть воды из дренируемых водоносных горизонтов откачивается с помощью скважин, а часть поступает
в подземные выработки через забивные фильтры и другие дренажные
устройства и затем откачивается на поверхность.
Параллельное осушение проводится при относительно простых
гидрогеологических условиях, одновременно с проходкой горных выработок и добычей полезного ископаемого.
И, наконец, при гидрогеологических исследованиях изучаются химический состав и бактериологическое состояние вод, участвующих
в обводнении месторождения, их насыщенность газом, агрессивность по
отношению к металлам, полимерам, дереву, бетону, содержание в них
полезных и вредных примесей; оценивается возможность использования
этих вод для водоснабжения или извлечения из них ценных компонентов, а также влияние их дренажа на подземные водозаборы, действующие и проектируемые в районе месторождения, и влияние сброса рудничных вод на окружающую среду. При необходимости даются рекомендации по проведению специальных изыскательских работ.
9.3. Инженерно-геологические исследования
С помощью инженерно-геологических исследований должны быть
изучены: физико-механические свойства руд и вмещающих пород, определяющие характеристику их плотности в естественном и водонасыщенном состоянии; инженерно-геологические особенности массивов
пород месторождения и их анизотропии; состав пород, трещиноватость,
тектоническая нарушенность, текстурные особенности, закарстованность, разрушенность в зоне выветривания; современные геологические
процессы (оползни, сели, лавины и др.), которые могут осложнить раз220
работку месторождения. В районах с развитием многолетнемерзлых пород следует установить температурный режим пород, положение верхней и нижней границ мерзлотной толщи, контуры и глубины распространения, характер изменения физических свойств пород при промерзании и оттаивании, глубину слоя сезонного оттаивания и промерзания.
В результате инженерно-геологических исследований должны быть
получены материалы по прогнозной оценке устойчивости горных выработок и расчету основных параметров карьера и разработаны рекомендации по предупреждению развития явлений, осложняющих разработку
месторождения.
Для успешного решения задач инженерной геологии необходимы
всестороннее изучение и оценка геологических факторов, влияющих на
инженерную деятельность человека, определение характера процессов,
оказывающих влияние на проходку горных выработок и строительство
сооружений, могущих нарушить сохранность и нормальную эксплуатацию горнодобывающих предприятий. Среди подобных процессов различают физико-геологические и инженерно-геологические. Под физикогеологическими понимаются природные процессы, которые изменяют
рельеф земной поверхности, вещественный состав горных пород и их
физико-механические свойства. Сюда относятся явления, связанные
с деятельностью поверхностных и подземных вод: морская и озерная
абразия, речная эрозия, оврагообразование, сели, осыпи, обвалы, оползни, суффозионные процессы, плавуны. Эти явления изучаются и в общей геологии, однако только с качественной стороны. В инженерной
геологии они исследуются с помощью специальных методов, прежде
всего с количественной стороны, что позволяет оценить их значимость
для каждого конкретного случая.
Явления и процессы, обусловленные взаимодействием геологической среды с инженерными сооружениями, называются инженерногеологическими.
221
9.3.1. Природные явления, связанные с геологической
деятельностью поверхностных вод
Геологическая деятельность поверхностных вод подразделяется на
морскую и озерную абразию, речную эрозию, сели и эрозию почвы.
Морская и озерная абразия. Основными факторами, воздействующими на берега морей и озер, являются динамические воздействия волн,
морские течения, растворяющее действие воды, плавающие льдины и
др. Интенсивность разрушения берегов морскими волнами зависит от
конфигурации и крутизны этих берегов, их геологического строения, характера волн и скорости движения, наличия или отсутствия пляжа и т. п.
В настоящее время разработаны достаточно эффективные меры,
полностью или частично предотвращающие морскую и озерную абразии. В основном эти мероприятия сводятся к защите берегов от действия
морских волн; строительству дамб, волноломов, возведению искусственных пляжей и т. п.
Речная эрозия наиболее интенсивно проявляется в период паводков и приводит к подмыву и обрушению берегов, прежде всего высоких,
сложенных рыхлыми породами. Для защиты отдельных участков долины рек от подмыва и оползания проводят различные инженерные мероприятия.
Оврагообразование характеризуется размывом и переносом продуктов размыва временными водотоками, в результате чего на поверхности
земли появляются углубления различной формы. Основные факторы,
обусловливающие оврагообразование, – это крутизна и форма склонов,
состав пород, слагающих склон, климатические условия, хозяйственная
деятельность человека (распашка склонов, устройство канав, уничтожение растительности на склонах и вблизи них и т. п.).
К мерам борьбы с оврагообразованием относятся различные мероприятия агротехнического, лесомелиоративного и гидротехнического
характера.
222
Сели – бурные, временные грязекаменные, грязещебенистые или
грязевые потоки, возникающие в горных районах во время ливня или
при интенсивном таянии снега. Грязекаменный поток, несущийся с
большой скоростью, по пути своего движения производит большие разрушения: сносит мосты, здания, портит и заваливает дороги, забивает
отверстия искусственных сооружений, приводит в негодность пашни,
сады. В зависимости от природных особенностей мест, где проявляются
сели, профилактические мероприятия бывают самыми разнообразными.
Главнейшие из них – устройство защитно-регулирующих сооружений на
пути движения селя – дамб, полузапруд, селеуловителей и т. п., а также
лесонасаждение и травосеяние на площади селеобразующего бассейна.
Под совокупным воздействием различных экзогенных и эндогенных
факторов на естественных склонах и искусственных откосах проявляются различные деформации, из которых наиболее распространены осыпи,
обвалы, оползни.
Осыпи представляют собой скопления обломков горных пород
у основания и в нижней части крутых склонов. Образующийся при выветривании горных пород материал под воздействием силы тяжести постепенно скатывается, смещается вниз по склону. Возникающая при
этом осыпь состоит из угловатых несортированных обломков разного
размера: от песчинок до глыб объемом в несколько кубических метров.
Обвалы происходят при отрыве и падении с естественных склонов
или откосов горных выработок как отдельных небольших камней, так
и больших масс каменного материала; при движении камней происходит
их опрокидывание, дробление и скатывание вниз по склону. Причина
образования обвалов – ослабление прочности и целостности горных пород на склонах под влиянием процессов выветривания, а также землетрясений или взрывных работ.
Борьба с осыпями и обвалами ведется путем укрепления склонов,
создания заградительных стен, тоннелей и т. д.
223
Оползни – движение масс горных пород вниз по уклону местности
под действием силы тяжести, связанное во многих случаях с деятельностью поверхностных и подземных вод. В зависимости от причин и факторов, обусловливающих возникновение и развитие оползней, проводятся соответствующие противооползневые мероприятия, придающие склонам или откосам горных выработок нужную устойчивость и тем самым
предохраняющие сооружения от разрушения.
В районах с многолетней мерзлотой замерзание и оттаивание горных пород влекут за собой ряд физико-геологических явлений, которые
могут влиять на различные сооружения. К ним относятся: морозобойное
растрескивание, пучение пород, наледи и т. д. Эти явления широко наблюдаются в северных и восточных районах нашей страны и должны
учитываться при проходке горных выработок, строительстве инженерных сооружений.
9.3.2. Природные явления,
связанные с деятельностью подземных вод
Из этих явлений особенно большое значение в горной промышленности имеют карст и суффозия, так как при проведении горных выработок в закарстованных породах притоки воды иногда возрастают до
значительных размеров, а суффозия ведет к образованию оползней
и плывунов.
При проходке горных выработок в закарстованных районах применяют замораживание, цементацию, битумизацию, глинизацию пород, а также
разнообразные способы борьбы с притоками воды в горные выработки.
Суффозионные процессы заключаются в выносе фильтрующейся
водой мелких частиц из песчаных образований; при этом последние разрыхляются, что нередко ведет к развитию оползней. Суффозия проявляется при определенных гранулярном составе и структуре пород в условиях повышенного гидродинамического давления на склоне.
224
Под плывунами понимают водонасыщенные породы, которые при
вскрытии их в котлованах, горных выработках, выемках и т. п. ведут себя подобно тяжелым вязким жидкостям, приходя в движения и оплывая.
В таком состоянии могут находиться породы самого различного гранулярного состава, способные во время вскрытия при наличии соответствующего гидравлического давления или при встряхивании и других
внешних механических воздействиях перемещаться.
Основные способы борьбы с плывунами – это устройство перемычек, ограждающих горную выработку, замораживание плывунов, что
придает им временную прочность, электродренаж и электроуплотнение
рыхлых пород; химические способы закрепления плывунов – силикатизация, смолизация и др.
9.3.3. Основные типы инженерно-геологических явлений
Среди инженерно-геологических явлений существенное значение
в горной промышленности имеют горное давление и пучение пород при
проходке тоннелей и горных выработок, смыкание горных пород над
подземными выработками, деформация откосов карьеров и выпирание
дна котлованов.
Нарушение устойчивости откосов чаще всего проявляется в следующих формах: оползание, выдавливание, размыв. Оползание и выдавливание откосов горных выработок обусловливаются ползучестью глинистых
пород, слагающих откос, под давлением вышележащих горных масс.
В результате оползания и выдавливания откосы оседают и смещаются.
Выдавливание обычно наблюдается в длительно существующих выемках
и карьерах, когда под влиянием значительного перепада давления в глинистых породах происходит уменьшение упругости, что и приводит по
истечении некоторого времени к их выдавливанию. Для предотвращения
подобных деформаций откосы постоянно существующих выемок и карьеров необходимо выполаживать до необходимой крутизны, чтобы сни225
зить перепад давления до безопасной величины, или же в основании откоса, сложенного глинистыми породами, необходимо делать искусственную насыпь, что также сглаживает перепад давления.
Размыв откосов может быть обусловлен неправильным отводом
ливневых и талых вод, в результате чего на откосах образуются промоины различной ширины и глубины, как правило, с крутыми стенками, что
и влечет за собой деформацию откосов. Для борьбы с размывом откосов
осадки отводят нагорными канавами.
В естественных условиях горные породы находятся в состоянии сопряженного равновесия. После проходки выработки это равновесие нарушается, что может привести к обрушению. Последнее можно предотвратить, установив в выработках крепление. Породы, склонные к обрушению, будут оказывать на крепь механическое воздействие, которое
называется горным давлением. К разновидности такого давления относится пучение. В подземных горных выработках оно возникает преимущественно в глинистых породах определенного минерального состава
при их смачивании. Наиболее интенсивно пучение проявляется в глинистых породах монтмориллонитового состава, хотя при соответствующих
условиях оно присуще всем горным породам.
Пучение в горных выработках проявляется не сразу после их проходки, а с течением времени; с учетом этого его отрицательное воздействие может быть устранено или значительно снижено за счет скоростной проходки выработок с немедленным их креплением. Все пустоты
между облицовкой и породой должны тщательно тампонироваться сразу
же после установления крепи. Эти мероприятия при надлежащем типе
крепи препятствуют развитию в глинистых породах процессов ползучести, что и предохраняет горные выработки от деформаций.
При наличии тектонических трещин, зон разломов и карстовых пустот в горные выработки могут прорваться подземные воды и газы.
Прорывы обычно проявляются только у забоя подземных выработок. Для их предотвращения при проходке подземных выработок к уча226
стку, где возможен прорыв, из забоя проходят горизонтальные или наклонные опережающие скважины.
Сдвижением горных пород называется деформация в породах, залегающих над выработанным пространством. В зависимости от установленной степени опасности применяют различные мероприятия, позволяющие избежать недопустимых деформаций. Главнейшими из мероприятий считают: оставление предохранительных (охранных) целиков; полную или частичную закладку выработанного пространства;
применение дополнительных устройств, увеличивающих прочность и
жесткость сооружений.
9.4. Гидрогеологические и инженерно-геологические исследования
в процессе разведки месторождений полезных ископаемых
Для передачи месторождений полезных ископаемых в промышленное освоение в процессе разведки должны быть изучены горногеологические условия его разработки, т. е. выяснены гидрогеологические и инженерно-геологические особенности месторождения. Для решения этого круга задач используются те же разведочные выработки,
что и для изучения геологического строения месторождения, специальные выработки проходят крайне редко.
Состав и задачи гидрогеологических исследований не зависят от
сложности гидрогеологических условий месторождений и стадии их
разведки. Начиная со стадии поисково-оценочных работ и вплоть до
разведки изучаются следующие параметры:
1) площади распространения водоносных горизонтов и комплексов;
2) условия залегания водоносных горизонтов;
3) области, условия питания, режимы, химический состав и бактериологические свойства подземных и поверхностных вод.
227
Основные задачи гидрогеологических исследований:
1) определение характера взаимосвязи подземных и поверхностных
вод;
2) водообильности и водопроницаемости пород;
3) величины возможных водопритоков в горные выработки;
4) агрессивности подземных вод и возможности их использования
для бытового и промышленного водоснабжения.
На стадии детальной разведки все перечисленные виды исследований проводятся с максимальной полнотой и достоверностью, а характеристики получают точную количественную оценку.
Общие задачи инженерно-геологических исследований:
1) определение разрабатываемости пород и полезного ископаемого;
2) оценка устойчивости горных выработок;
3) определение специальных горнотехнических условий.
Состав инженерно-геологических исследований не зависит от стадии разведки. Для решения первой задачи устанавливаются физикомеханические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород:
объемная масса, сопротивление раздавливанию и сдвигу, абразивность,
способность к самовозгоранию, слеживанию и другие свойства.
Оценка устойчивости и прочности горных пород производится по результатам определения физико-механических свойств и изучения зависимости этих свойств от минерально-петрографического состава, структур,
текстур, трещиноватости пород и гидрогеологических условий.
Специальными горнотехническими условиями могут быть развитие
карста, сейсмичность района, возможность возникновения горных ударов, степень, характер и состав газопроявлений, силикозоопасность, тип
и интенсивность развития многолетней мерзлоты и другие инженерногеологические явления.
228
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие факторы влияют на поступление подземных вод в горные выработки?
2. Какие типы месторождений выделяют по характеру и водообильности
пород кровли и подошвы?
3. Какие существуют методы борьбы с обводненностью горных выработок?
4. Для чего проводятся инженерно-геологические исследования?
5. Какие инженерно-геологические явления связаны с деятельностью
поверхностных вод?
6. Какие инженерно-геологические явления связаны с деятельностью
подземных вод?
7. Какие гидрогеологические и инженерно-геологические исследования
выполняются в процессе разведки месторождений полезных ископаемых?
229
Часть III
ГЕОЛОГИЯ И РАЗВЕДКА
МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Глава 10
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
10.1. Основные понятия и определения
Важнейший раздел геологии, позволяющий решать обширные прикладные задачи, – учение о полезных ископаемых. Он включает в себя
совокупность сведений о геологической позиции и закономерностях
размещения месторождений различных полезных ископаемых, методику
поисков и экономику минерального сырья, тесно соприкасается с технологий переработки руд и извлечения из них ценных компонентов.
Полезным ископаемым называют природное минеральное образование,
которое используется в хозяйстве в естественном виде или после предварительной обработки (переработки) путем дробления, сортировки, обогащения
для извлечения ценных металлов или минералов. По физическому состоянию полезные ископаемые бывают газообразными, жидкими и твердыми.
К первым относятся горючие газы углеводородного состава и негорючие
инертные газы, ко вторым – нефть, рассолы, вода, к третьим – большинство
полезных ископаемых, которые применяются как химические элементы или
их соединения, а также в виде кристаллов, минералов, горных пород.
По промышленному использованию полезные ископаемые подразделяют на металлические, неметаллические, горючие или каустобиолиты, гидро- и газоминеральные.
230
Металлические полезные ископаемые служат для извлечения из
них металлов и элементов: черных (железо, титан, хром, марганец и др.);
легирующих (никель, кобальт, вольфрам, молибден и др.); цветных
(алюминий, свинец, цинк, сурьма, ртуть и др.); благородных (золото, серебро, платина, палладий и др.); радиоактивных (уран, радий, торий и
др.); редких и рассеянных (висмут, цирконий, ниобий, тантал, галлий,
германий, кадмий, индий и др.); редкоземельных (лантан, церий, иттрий,
прометий, самарий, лютеций и др.).
К неметаллическим полезным ископаемым принадлежат строительные горные породы (естественные строительные камни, пески, глины, сырье для каменного литья, стекол и керамики и др.), индустриальное (алмаз, графит, асбест, слюды, драгоценные и поделочные камни,
пьезокристаллы, оптические минералы и др.), а также химическое и агрономическое сырье (сера, флюорит, барит, галит, калийные соли, апатит, фосфориты и др.).
Горючие ископаемые включают торф, бурый уголь, каменный
уголь, антрацит, горючие сланцы, озокерит, нефть, горючий газ. Они
служат энергетическим и металлургическим топливом, а также сырьем
для химической промышленности.
К газоминеральному сырью относятся негорючие инертные газы:
гелий, неон, аргон, криптон и др.
Гидроминеральные полезные ископаемые подразделяют на подземные воды питьевые, технические, бальнеологические или минеральные
и нефтяные, содержащие ценные элементы (бром, йод, бор, радий и др.)
в количестве, позволяющем извлекать их, а также рассолы (озерные рассолы, минеральные грязи, илы). Важным гидроминеральным сырьем
являются воды морей и океанов, используемые для получения пресной
воды и извлечения многих ценных элементов.
Рудой называется минеральное сырье, содержащее ценные полезные компоненты (металлы, их соединения, минералы) в количестве, достаточном для промышленного извлечения при современном состоянии
231
экономики, техники и технологии. В зависимости от вида извлекаемого
компонента выделяются руды металлические (железные, медные, свинцово-цинковые и т. д.) и неметаллические (серные, асбестовые, графитные, апатитовые и др.). По количеству компонентов руды различают
монометалльные (мономинеральные), биметалльные (биминеральные)
и полиметалльные (полиминеральные).
Понятия «полезное ископаемое» и «руда» являются, в известной
степени, условными, отражают характерные для определенного исторического периода потребности хозяйства в различных видах минерального сырья, технологические возможности и экономические условия их
добычи, переработки и промышленного использования.
Месторождением полезного ископаемого называется его природное в виде геологических тел скопление в земной коре, которое по условиям залегания, количеству и качеству минерального сырья при данном
состоянии экономики и техники может служить объектом промышленной разработки в настоящее время или в ближайшем будущем. К месторождениям полезных ископаемых промышленность предъявляет требования, определяемые технической возможностью и экономической целесообразностью их разработки. Совокупность требований промышленности к минеральному сырью называется кондициями – они не являются постоянными и зависят от экономических условий и состояния техники и технологии добычи и переработки минерального сырья.
Площади распространения полезных ископаемых в порядке их
уменьшения подразделяют на провинции, области (пояса, бассейны),
районы (узлы), поля, месторождения, тела.
Провинция полезных ископаемых представляет собой крупный участок земной коры, относящийся к платформе или складчатой геосинклинальной зоне, со свойственными ему и размещенными в его пределах
месторождениями, По этому признаку выделяют провинции Русской
и Сибирской платформ, Уральскую, Кавказскую и т. п. Различают также
провинции по видам минерального сырья: металлогенические, угленос232
ные, нефтегазоносные. Среди металлогенических отмечают провинции
докембрийских платформ, каледонских, герцинских, мезозойских и альпийских складчатых зон. Угленосные провинции разделяют по основным эпохам угленакопления на карбоновые, пермско-юрские, позднемеловые, палеоген-неогеновые. Площади провинций весьма значительны
и могут составлять от сотен тысяч до миллиона и более квадратных
километров.
Область полезных ископаемых составляет часть провинции и характеризуется набором определенных по составу и происхождению месторождений полезных ископаемых. Они приурочены к одному или
к группе крупных тектонических элементов, обусловливающих геологическое строение провинции. К таким структурам на платформах относятся щиты, антеклизы и синеклизы, в пределах геосинклиналей – антиклинории, синклинории, краевые и межгорные прогибы, срединные массивы. Площади областей изменяются от десятков тысяч до первых сотен
тысяч квадратных километров. В пределах областей размещение месторождений полезных ископаемых может иметь поясовый или бассейновый характер.
Пояс полезных ископаемых представляет собой область, в пределах
которой месторождения приурочены к линейно вытянутым тектоническим структурам. Выделяют пояса металлогенические, или рудные, нефтегазоносные и угленакопления. Типичными рудными поясами являются полиметаллический пояс Рудного Алтая размером 300 × 40 км и ЯноИндигиро-Колымский золоторудный размером 1000 × (60-100) км.
Бассейн – это область почти непрерывного распространения пластовых осадочных полезных ископаемых с площадью от нескольких
сотен до нескольких сотен тысяч квадратных километров. Известны бассейны нефти (Волго-Уральский, Западно-Сибирский, Днепро-Донецкий), угля (Донецкий, Печорский, Кузнецкий, Подмосковный), минеральных солей (Соликамский, Иркутский, Артемовско-Славянский), ме233
таллических и неметаллических руд (железа – Криворожский, Керченский, марганца – Никопольский).
Район (узел) полезных ископаемых составляет часть области и характеризуется местным сосредоточением месторождений. Площади
рудных бассейнов колеблются от сотен до первых тысяч квадратных километров, площади узлов угленакопления значительно больше. В качестве примера следует назвать 29 узлов полиметаллических месторождений Восточного Забайкалья.
Поле полезных ископаемых – группа месторождений, объединяемых общностью происхождения и единством геологической структуры.
Площади полей составляют от нескольких до десятков квадратных километров. Примерами рудных полей можно считать Алмалыкское, Талнахское, Джезказганское и др. Поля полезных ископаемых состоят из
месторождений, а последние из тел полезных ископаемых.
Телом полезного ископаемого называют ограниченное со всех сторон скопление минерального вещества, которое приурочено к отдельным структурным элементам или их комбинациям.
10.2. Морфология и условия залегания тел полезных ископаемых
Минеральные агрегаты, представляющие собой полезные ископаемые, залегают в земной коре в виде геологических тел различной формы. Форма, размеры и пространственная ориентировка тел полезных ископаемых среди вмещающих пород определяют их морфологию. Морфологические особенности месторождений полезных ископаемых зависят от условий их образования, а также от геологического строения тех
участков земной коры, к которым они приурочены. Изучение морфологии и условий залегания тел полезных ископаемых имеет большое практическое значение, особенно для составления рациональных проектов
разведки и эксплуатации месторождений.
234
Для месторождений твердых полезных ископаемых выделяют три
основных морфологических типа тел: изометричные, плитообразные
(плоские) и трубообразные.
Изометричные тела приблизительно равновелики в трех измерениях. К ним относятся штоки, гнезда и штокверки.
Штоком называется крупная (от 10 м) изометричная залежь
сплошного или почти сплошного минерального сырья (рис. 42). Если
размеры таких залежей не превышают 10 м, их называют гнездами.
В качестве примера можно назвать штоки каменной соли, гнезда хромитов в ультраосновных породах. Основным элементом, определяющим
форму и размеры изометричных тел, является их поперечное сечение.
Рис. 42. Шток медной руды месторождения Цителсонели
(по В.Бачалдину и Ю.Назарову):
1 – четвертичные рыхлые отложения; 2 – четвертичные лавы; 3 – верхнемеловые туфы;
4 – огипсованные туфы; 5 – вторичные кварциты; 6 – дайки кварцевых альбитофиров;
7 – рудное тело; 8 – буровые скважины
235
Когда шток или гнездо сплющены в одном направлении, образуются линзы и чечевицы – тела, переходные по форме от изометричных
к плитообразным.
Штокверк представляет собой более
или менее изометричный объем горной
породы, пронизанный различно ориентированными прожилками и насыщенный
вкрапленностью минерального вещества
(рис. 43). Границы промышленной залежи
в пределах штокверка устанавливаются
по данным опробования. В качестве руды
Рис. 43. Штокверк
в данном случае рассматривается масса
горной породы, пересеченная прожилками, если она удовлетворяет требованиям кондиций. Примерами штокверков могут служить тела некоторых месторождений меди, олова, молибдена и других полезных ископаемых.
Плитообразные (плоские) тела характеризуются двумя большими
и одним (мощность) значительно меньшим размером. Это самый распространенный в природе морфологический тип, к которому принадлежат пласты и жилы.
Пласт – это плитообразное тело, обычно осадочного происхождения, отделенное от других пород более или менее параллельными плоскостями напластования (подошвой, или почвой, и кровлей пласта) (рис.
44). Пласты могут быть простыми, когда они однородны по составу и не
включают прослоев вмещающих пород, и сложными, состоящими из чередующихся прослоев полезного ископаемого и вмещающих пород.
Следует отметить, что в структурной геологии чаще используется
более общий термин – слой.
Пласты могут иметь раздувы и пережимы по мощности, простое или
сложное выклинивание. Примерами могут являться пласты угольных,
марганцевых, железорудных и других осадочных месторождений. Тела
236
полезных ископаемых неосадочного происхождения, близкие по форме
к пластам, принято называть пластообразными залежами.
Рис. 44. Строение пласта полезного ископаемого (в разрезе):
1 – пачки и пласты полезного ископаемого; 2 – прослои породы
Жилы представляют собой трещины в горных породах, выполненные минеральным веществом полезного ископаемого. Их также считают
плитообразными телами, поскольку, протягиваясь по простиранию и на
глубину на десятки и сотни метров, они характеризуются значительно
меньшим третьим измерением - мощностью, которая обычно изменяется
от нескольких сантиметров до первых метров (рис. 45, а, б, в, г).
Залегание жил может быть наклонным, вертикальным, реже горизонтальным. В случае наклонного залегания породы, перекрывающие
жилу, называют породами висячего бока, а подстилающие ее – породами
лежачего бока. Поверхность, по которой минеральное вещество соприкасается с вмещающей породой, называют зальбандом. При резком
уменьшении мощности жилы говорят о ее выклинивании или пережиме,
при увеличении мощности – о раздуве.
Жилы, так же как и пласты, делят на простые и сложные. К простым
относят одиночные минерализованные трещины, к сложным – системы
переплетающихся трещин, зон дробления, рассланцевания.
237
а
б
в
Рис. 45. Жилы:
а – простая; б – сложная; в – камерная
По деталям морфологии среди жил различают четковидные, камерные, седловидные, лестничные, разлистования и др.
Основными геологическими элементами, определяющими размеры
и условия залегания плитообразных тел, являются направление простирания и длина его по простиранию, направление и угол падения, длина
по нему, а также мощность.
Трубообразные (столбообразные) тела полезных ископаемых вытянуты по одной оси. Поперечное сечение таких тел может быть изометричным, эллиптическим, линзообразным (рис. 46).
Морфология и условия залегания трубообразных тел определяются
углом погружения (или ныряния), длиной по направлению погружения
и площадью поперечного сечения. На месторождениях полезных ископаемых трубообразные тела встречаются довольно редко. Наиболее типичные представители их – алмазоносные кимберлитовые трубки взрыва.
По возрастному соотношению с вмещающими породами различают
две группы рудных тел – сингенетические и эпигенетические.
Сингенетическими являются тела, сформировавшиеся одновременно или почти одновременно с вмещающими породами. Типичными примерами их могут служить пласты и линзы осадочных месторождений.
238
Рис. 46. Трубообразное тело:
а – геологический план; б – разрез кимберлитовой трубки (по А. Б. Бобриевичу):
1 – насосы; 2-4 – кимберлит: 2 – измененный желтый; 3 – измененный зеленый;
4 – малоизмененный; 5 – карбонатные породы
Эпигенетическими называются тела, образованные позднее вмещающих пород. К этой группе всегда относятся различного рода жилы.
Все описанные рудные тела могут либо выходить на дневную поверхность, либо залегать на той или иной глубине. В последнем случае
их называют «слепыми», или скрытыми. В зависимости от глубины, на
которой размещаются тела полезных ископаемых, их делят на поверхностные (до 100 м) и глубокозалегающие.
По характеру залегания среди тел полезных ископаемых различают
горизонтальные (угол падения до 10°) и наклонные. При угле падения
более 45° тела называют крутопадающими.
По отношению к первичному напластованию или контактам вмещающих пород тела полезных ископаемых бывают согласные и секущие. Сингенетические тела всегда имеют согласное залегание.
Выклинивание тел полезных ископаемых может быть простым, когда мощность уменьшается постепенно, тупым, если мощность уменьшается резко, и сложным, когда тело полезного ископаемого разделяется
при выклинивании на многочисленные тонкие пропластки и прожилки.
239
Контакты тел полезных ископаемых бывают резкими (четкими) и
постепенными, если сплошная масса полезного ископаемого переходит
в породу через зону вначале богатой, а затем постепенно убывающей
вкрапленности. По форме выделяют контакты ровные и извилистые.
Тела полезных ископаемых любой формы иногда нарушены постминерализационными тектоническими деформациями, усложняющими первичную структуру месторождения и нередко вызывающими серьезные трудности при ведении горных работ.
10.3. Вещественный состав полезных ископаемых
Являясь природными минеральными образованиями, все полезные
ископаемые обладают определенным вещественным (минеральным
и химическим) составом, строением или структурно-текстурными особенностями, а также некоторым комплексом физических, физико-химических и технологических свойств. Все эти характеристики в общем
случае обусловливают качество полезных ископаемых, которое имеет
важнейшее значение для оценки месторождений с целью их промышленного использования.
Вещественный состав металлических и неметаллических руд определяется соотношением рудных, или ценных, и сопутствующих им нерудных, или жильных, минералов. В металлических рудах рудные минералы являются носителями ценных металлов (табл. 11), в неметаллических – минералы сами представляют практический интерес благодаря
специфическим свойствам. Количественные соотношения между рудными и сопутствующими жильными минералами колеблются в разных
месторождениях в широких пределах.
По составу преобладающей части минералов выделяются следующие типы руд:
самородные – самородные металлы и интерметаллические соединения – медь, золото, платина и др.;
240
Таблица 11
Основные минералы руд
Минерал
Аллюминий
Барий
Бериллий
Вольфрам
Железо
Калий
Литий
Марганец
Медь
Молибден
Мышьяк
Никель
Олово
Ртуть
Элемент
Диаспор
Бемит
Гидраргиллит
(гиббсит)
Нефелин
Алунит
Кианит
Корунд
Барит, целестин
Берилл
Вольфрамит
Шеелит
Магнетит
Гематит
Лимонит
Сидерит
Ильменит
Сильвин
Карналлит
Сподумен
Лепидолит
Пиролюзит
Манганит
Псиломелан
Медь самородная
Халькозин
Ковеллин
Халькопирит
Борнит
Куприт
Малахит
Азурит
Молибденит
Арсенопирит
Реальгар
Аурипигмент
Пентландит
Силикаты никеля
Касситерит
Киноварь
Формула
Содержание
элемента, %
Плотность,
n⋅103, кг/м3
AlO(OH)
AlO(OH)
Al(OH)3
47,2
47,2
36,2
3,3
3,0
2,4
KNa3[AlSiO4]4
RAl3{SO4}2(OH)6
AlSiO5
Al2O3
(Ba, SrSO4){SO4}
Be3Al2{SiO18}
(Fe, Mn){WO4}
Ca{QO4}
Fe3O4
Fe2O3
FeO(OH)⋅nH2O
Fe{CO3}
(Mg, Fe) TiO3
KCl
KCl, MgCl2, 6H2O
LiAl{Si2O6}
KLi2Al{Si4O10},
(Fe, OH2)
MnO2
MnO(OH)
mMnO, MnO2, nH2O
Cu
Cu2S
Cu2S, CuS2
CuFeS2
Cu5FeS4
Cu2O
Cu2{CO3}(OH)2
Cu3{CO3}2(OH)2
MoS2
FeAsS
AsS
As2S3
(Fe, Ni)9S8
18,9
20,5
62,0
100,0
58,0
5,1
60,5
63,8
72,3
70,0
55,0
48,1
36,8
52,4
14,1
8,1
3,7
2,6
2,7
4,3
2,7
7,0
6,0
5,2
5,2
4,0
3,8
4,5
2,0
1,6
3,2
2,8
63,2
62,5
45,0
100,0
79,8
66,5
34,6
63,3
88,8
57,5
55,3
60,0
46,0
70,1
61,0
34,2
18,0
78,7
86,2
4,8
4,3
4,6
8,8
5,7
4,7
4,2
5,2
6,0
4,0
3,8
4,8
6,0
3,5
3,5
4,8
2,8
7,0
8,1
SnO2
HgS
241
Окончание таблицы 11
Минерал
Свинец
Сера
Сурьма
Титан
Фосфор
Фтор
Хром
Цинк
Элемент
Галенит
Сера самородная
Пирит
Пирротин
Гипс
Антимонит
Рутил (титанит)
Ильменит
Апатит
Фосфорит
Флюорит
Хромит
Сфалерит
Формула
Содержание
элемента, %
Плотность,
n⋅103, кг/м3
PbS
S
FeS2
Fe1-xS
CaSO4, 2H2O
Sb2S3
TiO2
(Mg, Fe)TiO3
Ca5{PO4}3(F, Cl, OH)
Смесь апатита и
гидроксилапатита
CaF2
FeCr2O4
ZnS
86,6
100,0
53,4
36,5
23,2
71,4
60,0
31,6
41,5
20,0
7,5
2,0
5,2
4,6
2,3
4,6
4,2
4,7
3,2
3,0
48,8
46,4
67,1
3,2
4,4
3,8
сернистые и им подобные – сульфиды, арсениды и антимониды тяжелых металлов – меди, цинка, свинца, никеля, кобальта, молибдена и др.;
оксидные – оксиды и гидроксиды железа, марганца, хрома, олова,
урана, алюминия и др.;
карбонатные – карбонаты железа, марганца, магния, свинца, цинка,
меди и др.;
сульфатные – сульфаты бария, стронция, кальция и др.;
фосфатные – апатитовые и фосфоритовые неметаллические руды,
а также фосфаты некоторых металлов и др.;
силикатные – сравнительно редкие руды железа, марганца, меди;
широко распространенные неметаллические полезные ископаемые –
слюды, асбест, тальк и др.;
галоидные – минеральные соли и флюорит и др.
По вещественному составу, определяющему промышленную ценность и технологические свойства, полезные ископаемые подразделяют
на природные типы и промышленные сорта.
Типами полезных ископаемых называют их природные разновидности, выделяемые в зависимости от минерального состава, текстурных
242
и структурных особенностей с учетом возможности пространственного
обособления.
Промышленные сорта включают один или несколько природных
типов полезных ископаемых, разработка которых рентабельна и обеспечивает необходимое качество получаемой продукции.
По степени концентрации ценных минералов различают богатые
(массивные, сплошные), рядовые и бедные (вкрапленные) руды. По генезису руды делят на первичные (неизмененные) и вторичные. Наконец,
существует группировка минерального сырья по сортам, основанная на
различии специфических свойств и характеристик ценных минералов.
Важным показателем вещественного состава руд, влияющим на
оценку их качества, служит содержание вредных примесей. Так, для руд
железа и марганца вредными примесями являются сера и фосфор, для
бокситов – кремнезем и сера, для золотых руд – мышьяк, для фосфоритов – магний, для серных руд – общий углерод, битумы, мышьяк и селен. Вредные примеси снижают качество руд, а в ряде случаев делают
крайне сложными или невозможными их переработку и использование.
В большинстве случаев руды, кроме главных, содержат сопутствующие ценные компоненты. Их извлечение даже при небольшом содержании повышает общую ценность руд. Часто попутные ценные компоненты
по стоимости превышают главные, а их запасы в комплексных месторождениях нередко выше, чем на крупных самостоятельных месторождениях. К сожалению, многие комплексные руды труднообогатимы.
Для полезных ископаемых, которые используются целиком, без
предварительной переработки, ценные и сопутствующие минералы не
выделяются. К основным характеристикам их вещественного состава,
определяющим качество минерального сырья, относятся физико-технические свойства пород, соответствующие направлениям промышленного
применения.
Специфический состав имеют твердые горючие ископаемые – угли,
горючие сланцы; они содержат органические и неорганические компонен243
ты. Органические компоненты представляют собой обособленные элементы исходного растительного материала и продуктов его преобразования.
К неорганическим компонентам, обязательно присутствующим
в твердых горючих ископаемых в больших или меньших количествах,
относятся минеральные примеси (глинистые минералы, карбонаты,
сульфиды железа, кварц и др.). Кроме минеральных примесей в твердых
горючих ископаемых содержится от 15 до 60 % влаги.
В состав органических компонентов входят углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Минеральные примеси и вода считаются
балластом. Сера и фосфор принадлежат к вредным примесям. Содержание балластных и вредных составляющих для большинства направлений
использования твердых горючих ископаемых строго лимитируется.
Текстурно-структурные особенности полезных ископаемых являются важными показателями оценки качества минерального сырья для технологических целей. Взаимоотношения минеральных агрегатов, форма,
размеры и способы сочетания в них минералов влияют на схему переработки полезных ископаемых, обусловливают оптимальную крупность их
дробления и измельчения, обеспечивающую полное раскрытие зерен
и извлечение полезных компонентов в соответствующие концентраты.
10.4. Генетическая классификация
месторождений полезных ископаемых
Сочетание различных источников вещества, транспортирующих
агентов и способов рудоотложения приводит к образованию месторождений с широким спектром разнообразия их генезиса.
В настоящее время известно несколько десятков генетических классификаций месторождений полезных ископаемых. Наиболее известной
является классификация В. И. Смирнова (табл. 12). Идеализированная
схема размещения различных генетических классов месторождений показана на рис. 47.
244
Таблица 12
Генетическая классификация месторождений полезных ископаемых
(по В. И. Смирнову, и с изменениями, по В. Ф. Рудницкому)
Серия
Группа
Магматическая
Класс
Индекс
Полезные
ископаемые
Кристаллизационный
а) раннемагматический
б) позднемагматический
МР
МП
Ликвационный
Пегматитовый
Карбонатитовый
МЛ
ФП
ФК
Алмаз, Cr
Cr, Ti-Fe, апатит –
нефелин
Cu-Ni
Самоцветы, мусковит
Nb, Ta, TR, апатит, Fe
Флюидномагматическая
ПлуГрейзеновый
тоноАльбититовый
Эндогенная Скарновый
генная
Порфировый
ГидЖильный
ротер
терВулСубвулканический
маль каноная
генная Гидротермальноосадочный
Амаг- Стратиморфный
мато- Телетермальный
генная
Выветривания Остаточный
Инфильтрационный
Механический
а) обломочных пород
Экзоб) россыпи
генная
Химический
Осадочная
а) из истинных растворов
б) из коллоидных растворов
Биохимический
Зеленосланцевой фации
Амфиболитовой фации
МетаморфиМета- ческая
Гранулитовой фации
морЭклогитовой фации
фоМетаморфиКонтактово-метаморфигенная зованная
зованный
Регионально-метаморфизованный
245
ГГ
ГА
ГС
ГП
ГЖ
ГО
Sn, W, Mo, Be
U, Tn, Nb, Ta, TR
Fe, Cu, Pb-Zn, W-Mo, B
Au-Cu-Mo
Au, Sn, Mo, Pb-Zn,
Co-Ni-Bi-U
Au-Ag, Sn, W, Bi, U,
алунит
Pb-Zn-Cu, S, Fe, Mn
ГСТ
ГТ
Cu, Pb-Zn
Hg, Sb, Au
ВО
ВИ
Ni, Al, Fe, каолин
U, V, S
ОМ
AU, Pt, алмаз, Sn, W, Ti;
пески, глины
ГВ
ОХ
ОБ
М1
М2
Соли, гипс, известняк;
Fe, Mn, Al
Фосфорит, уголь
Тальк, кварц, асбест, А
Графит
Гранат
Рутил
Графит, корунд
Au-U, Fe
Рис. 47. Идеализированная схема размещения
различных генетических классов месторождений:
1-2 – интрузивные породы: 1 – ультрабазиты, 2 – гранитоиды; 3 – субвулканические тела;
4 – магматогенные брекчии; 5 – вулканиты; 6 – известняки; 7 – кора выветривания;
8 – месторождения. Обозначения индексов в табл. 12
Эндогенные месторождения, к числу которых относятся скопления
полезных ископаемых, прямо или косвенно связанные с магматической
деятельностью, подразделяют на собственно магматические, пегматитовые и постмагматические.
Магматическими называются месторождения, образующиеся из
жидких магматических расплавов в процессе их внедрения и раскристаллизации. При подъеме магматических расплавов в верхние горизонты земной коры и остывании происходит их дифференциация, с чем связана концентрация, а иногда и полное обособление рудных компонентов. Процессы образования магматических месторождений достаточно
сложны. В одних случаях месторождения образуются в результате внедрения магмы, обогащенной рудными компонентами еще на глубине,
в других – рудные концентрации возникают из магм при ее подъеме,
в третьих – лишь на месте становления интрузива.
246
Главная особенность всех магматических месторождений – их связь
с материнскими интрузивами, которые рассматриваются как вещественный или энергетический источник оруденения.
Магматические месторождения, в свою очередь, разделяются на генетические подгруппы: ликвационные, раннемагматические и позднемагматические.
Ликвационные месторождения формируются из расплавов и связанных с ними растворов в результате процессов магматической дифференциации в глубинных или близповерхностных условиях. Наиболее характерными ликвационными магматическими образованиями являются
сульфидные медно-никелевые месторождения в основных и ультраосновных породах.
Раннемагматические месторождения характеризуются признаками
наиболее ранней кристаллизации полезных минералов, сцементированных позднее выделившимися породообразующими минералами. К раннемагматическим относят месторождения алмазов.
Позднемагматическими называются такие месторождения, которые образуются путем обособления обогащенных рудным веществом
остаточных рудных расплавов и их кристаллизации на поздних стадиях
затвердевания интрузива. К этому типу относятся месторождения хромита и титаномагнетита.
Пегматитовыми называются месторождения, образующиеся при
формировании пегматитов, являющихся промежуточными продуктами
между магматическими породами и рудными жильными телами. Будучи
тесно пространственно и генетически связаны с магматическими породами, они характеризуются тождественным с ними составом, отличаясь
малыми размерами тел, преимущественно жильной формы, и некоторыми типичными чертами внутреннего строения. Последние выражаются
в возникновении пегматитовых структур, представляющих собой характерные прорастания кварца и полевого шпата, часто с крупными кри247
сталлами различных минералов, в том числе редких. По составу выделяются гранитные, щелочные и основные пегматиты.
Промышленные месторождения редких и радиоактивных металлов
связаны с гранитными и щелочными пегматитами, месторождения слюды
и керамического сырья – только с гранитными. Пегматитовые месторождения – главный источник получения лития, тантала, бериллия, отчасти –
урана, тория, редких земель, слюды, а также керамического сырья.
Пегматиты располагаются как в эндо- и экзоконтактовых зонах интрузивных массивов, так и вне непосредственной связи с ними.
Под постмагматическими месторождениями понимают месторождения, образованные под воздействием газовых или жидких растворов
в связи с прямым или косвенным участием магматизма. Они имеют широкое распространение и важное народнохозяйственное значение.
К этой группе относятся многие месторождения цветных, благородных,
редких, радиоактивных и, отчасти, черных металлов, которые служат
основной базой развития различных отраслей промышленности.
Постмагматические явления в основном сводятся к гидротермальному процессу, обычно сочетающемуся с метасоматозом. Постмагматическая минерализация представляет собой логическое продолжение
магматического процесса и тесно связана с ним. Следовательно, она завершает формирование магматических комплексов, характеризующих
этапы тектономагматического развития геосинклинальных областей или
зон активизации.
В группу экзогенных включаются скопления полезных ископаемых,
которые образуются при экзогенных процессах в результате химической,
биохимической и механической дифференциации вещества земной коры.
В данную серию входят месторождения химического, керамического
и цементного сырья, разнообразных строительных материалов, каменного
угля, а также многие месторождения железа, марганца, бокситов, ряда
благородных и редких металлов. По способу накопления осадочного материала различают месторождения выветривания и осадочные.
248
К месторождениям выветривания относятся остаточные и инфильтрационные месторождения.
Остаточные месторождения полезных ископаемых образуются
при физическом и химическом выветривании горных пород, которое сопровождается гидролизом породообразующих минералов, растворением
и выносом неустойчивых компонентов. В результате в остаточных продуктах выветривания накапливаются в виде труднорастворимого остатка
такие полезные ископаемые, как каолин, бокситы, нонтрониты, бурые
железняки, марганец и др.
Растворенные и перемещенные от места образования вещества при
определенных физико-химических условиях могут выпасть в осадок, образуя инфильтрационные скопления железа, урана, меди, ванадия и т. д.
К осадочным месторождениям относятся аллювиальные и прибрежно-морские россыпи, химические и биохимические осадочные месторождения.
Аллювиальные россыпи широко распространены и нередко имеют
промышленное значение. В них сосредоточены золото, платина, касситерит и другие ценные минералы. Эти россыпи образуются в результате переноса и отложения обломочного материала водными потоками. В строении аллювиальных россыпей выделяют следующие элементы: 1) почвенный слой; 2) «торфа», представляющие собой «пустые» отложения;
3) металлоносные осадки – так называемые «пески»; 4) «плотик» – коренные или уплотненные породы, подстилающие рудоносный слой.
Обычно наиболее богатые концентрации ценных минералов отмечаются
в нижней части песков, в углублениях плотика.
С прибрежно-морскими россыпями связаны месторождения титана,
циркона, ниобия, тория, редких земель и др. Эти россыпи образуют узкие
протяженные полосы вдоль берега выше или ниже уровня моря. Ширина
россыпей различна, но обычно составляет несколько десятков метров.
Протяженность – от сотен метров до десятков и даже сотен километров.
249
К осадочным относятся месторождения химического и биохимического происхождения (фосфориты, карбонаты, кремнистые породы,
угли, горючие сланцы, различные соли, руды железа, марганца, алюминия). Осадочные месторождения могут формироваться в результате
поступления в бассейн осадконакопления продуктов вулканической
деятельности.
К числу метаморфогенных месторождений относятся те, которые
генетически связаны с метаморфическими процессами. Среди них различают две подгруппы – метаморфизованные и метаморфические.
Метаморфизованными называют месторождения любого происхождения, испытавшие метаморфические преобразования одновременно
с вмещающими породами. При этом процессы метаморфизма могут выражаться в изменении и преобразовании структур и текстур, изменении
характера минерального состава руд (например, вместо лимонита образуется гематит или магнетит, вместо пиролюзита МnО2 – браунит Мn2О3
и т. п.), а также в переотложении рудного вещества, изменении формы
рудных тел, рассланцевании и изменении состава вмещающих пород.
Под метаморфическими месторождениями понимают такие месторождения, которые возникли в результате метаморфизма горных пород, до того не содержащих промышленных рудных скоплений и не
представляющих собой полезного ископаемого. К возникающим в процессе метаморфизма собственно метаморфическим месторождениям относятся месторождения высокоглиноземистого сырья (кианит, андалузит, силлиманит), графита, гранулированного кварца, слюды, амфиболасбеста, корунда, наждака, граната, титана и др.
Месторождения полезных ископаемых пространственно и генетически связаны с определенными участками земной коры или ее основными
структурными элементами, от истории геологического развития которых
зависят в конечном итоге как характерные для каждого их них типы месторождений, так и условия их формирования. В связи с этим своим на250
бором месторождений полезных ископаемых отличаются геосинклинальные области, платформенные области, дно морей и океанов.
10.5. Геологические и физико-химические факторы,
определяющие условия образования и размещения месторождений
Все характеристики месторождений (форма, условия залегания,
размеры, вещественный состав) определяются историей и процессами
геологического развития тех участков земной коры, которые вмещают
месторождения. Поэтому месторождения полезных ископаемых необходимо изучать во взаимосвязи с окружающей их геологической средой
путем анализа условий, геологических факторов, благоприятствующих
образованию полезных ископаемых. Для формирования генетических
групп месторождений ведущими факторами являются магматические,
стратиграфические, литологические и тектонические.
Магматические факторы. Различные эндогенные месторождения
полезных ископаемых связаны с определенными по составу комплексами изверженных горных пород.
С ультраосновными породами (дунитами, перидотитами, пироксенитами) ассоциируют магматические месторождения металлов платиновой группы, хромитов, никель-кобальтовых руд, титаномагнетита, алмазов. Кроме того, к этим породам приурочены гидротермальные месторождения асбеста, магнезита, талька.
Основные породы (габбро, нориты, анортозиты) продуцируют магматические месторождения титаномагнетитовых и сульфидных медноникелевых руд. Для щелочных пород (нефелиновые сиениты) характерны магматические месторождения апатита и нефелина.
Граниты являются материнскими породами для пегматитовых
месторождений мусковита, драгоценных камней и редких элементов.
К умеренно кислым гранитоидам тяготеют контактово-метасоматические (скарновые) месторождения железа, вольфрама, молибдена, а также
251
гидротермальные месторождения золотых, медных, оловянных, полиметаллических и урановых руд.
Связь месторождений полезных ископаемых с изверженными породами бывает генетическая (прямая, явная) и парагенетическая. В первом
случае магматические, пегматитовые и скарновые месторождения непосредственно ассоциируют с конкретными массивами изверженных пород, а рудные тела залегают, как правило, в их пределах. Парагенетическая связь отмечается для многих гидротермальных месторождений,
рудные тела которых могут не иметь прямой связи с интрузивами, но те
и другие являются производными единых глубинных магматических
очагов.
Литологические факторы обнаруживаются в приуроченности постмагматических месторождений к горным породам, которые характеризуются специфическим составом, физико-химическими и физико-механическими свойствами. В этом случае свойства и состав горных пород
выступают как факторы, способствующие развитию оруденения.
Известны гидротермальные месторождения, которые формируются
при замещении рудным веществом карбонатных пород. Крупные месторождения медных, свинцово-цинковых, сурьмяно-ртутных и других руд
часто локализуются в породах с повышенной пористостью и трещиноватостью, в горизонтах, сложенных хрупкими горными породами.
Стратиграфические факторы обусловливают приуроченность экзогенных месторождений к определенным стратиграфическим частям
геологического разреза. Месторождения и вмещающие их породы образуются в результате одних и тех же процессов и входят в состав конкретных геологических формаций.
Осадконакопление было связано с колебательными тектоническими
движениями земной коры и происходило ритмично. В период затухания
горообразования при трансгрессии моря формировались рудные месторождения железа, марганца, бокситов. В силу этого подобные месторождения залегают в низах трансгрессивных серий определенного возрас252
та. В период поднятий и регрессии моря возникали месторождения каустобиолитов и минеральных солей. Поэтому они встречаются в верхних
частях регрессивных серий осадков.
Для многих месторождений характерна связь с отложениями определенного возраста, которая хорошо выдерживается в пределах различных геологических структур. Такая связь наблюдается в пределах угленосных бассейнов, месторождений минеральных солей, фосфоритов,
бокситов, железных руд.
Тектонические факторы. Размещение месторождений полезных
ископаемых, рудных полей и поясов контролируется, как правило, крупными тектоническими элементами. К ним относятся глубинные разломы, складчатые зоны, предгорные прогибы, внутригорные котловины,
платформенные антеклизы и синеклизы.
Особенно большое рудоконтролирующее значение имеют глубинные разломы. Эти зоны протягиваются на многие сотни километров при
ширине до десятков километров. К глубинным разломам тяготеют эндогенные месторождения полезных ископаемых, реже - осадочные месторождения угля и минеральных солей. С зонами региональных надвигов,
сбросов, сдвигов, смятия связаны месторождения цветных и редких металлов Рудного Алтая, Забайкалья, Кавказа. Многочисленные месторождения металлических и неметаллических полезных ископаемых и каустобиолитов (медь, соли, уголь и др.) часто приурочены к горным прогибам, располагающимся на границе платформ и складчатых областей,
Глубина образования. Месторождения полезных ископаемых формируются на различных глубинах, под которыми понимают расстояние от
земной поверхности, соответствующей времени рудообразования, до места локализации полезных минеральных масс. Можно выделить четыре основные глубинные зоны формирования полезных ископаемых: 1) поверхностно-приповерхностную; 2) малых глубин (гипабиссальную); 3) средних
глубин (абиссальную); 4) больших глубин (ультраабиссальную).
253
Первая зона простирается от поверхности земли до глубины 1-1,5
км. Здесь происходит становление всех месторождений экзогенного генезиса, а также вулканогенно- и гидротермально-осадочных месторождений. Иногда в приповерхностных условиях образуются отдельные
магматические и скарновые месторождения.
Вторая зона охватывает интервал от 1-1,5 до 4 км. Это наиболее
благоприятная для возникновения эндогенных месторождений зона, характеризующаяся оптимальными физико-механическими свойствами
среды, поскольку в породах широко развиты разрывные нарушения,
благоприятствующие перемещению рудообразующих растворов или
расплавов. С этой зоной связано формирование подавляющего большинства плутоногенных гидротермальных месторождений, скарновых
месторождений железа и меди, а также магматических месторождений
сульфидных медно-никелевых руд и карбонатитов.
Третья зона распространяется примерно от 4 до 10 км. Низкая пористость и пластичность пород, отсутствие открытых трещин затрудняют просачивание растворов, в связи с чем в этой зоне преобладает инфильтрационно-диффузионный массоперенос и широко распространены
метасоматические процессы. Здесь формируются преимущественно
пегматитовые и контактово-метасоматические месторождения.
Четвертая (ультраабиссальная) зона наименее благоприятна для рудообразования, поскольку при высоком всестороннем давлении трещины полностью закрыты, породы обладают высокой пластичностью
и слабопроницаемы для растворов. К этой зоне в основном приурочено
становление метаморфогенных месторождений.
Возникшие в различных условиях глубинности месторождения могут быть неодинаково эродированы. Глубина эрозионного среза определяется положением тел полезных ископаемых относительно современной земной поверхности. Можно выделить три степени эродированности месторождений: начальную, когда рудные тела только вскрываются
эрозией и месторождение перспективно на глубину; полную, когда на
254
поверхности обнажаются корневые части рудных тел и перспективы месторождения уже ограничены, и среднюю - промежуточную. Обычно
глубина эрозионного среза определяется при геологоразведочных работах с использованием различных геохимических и минералогических
методов.
Температура и давление. Месторождения полезных ископаемых
формируются в локальных участках земной коры - рудообразующих
системах, важнейшими термодинамическими параметрами которых являются температура и давление. Температурный интервал становления
различных месторождений достаточно широк – от 0-50 °С для экзогенных и до 800-900 °С и даже 1200-1300 °С для эндогенных. Определение
температур рудного процесса, за редким исключением, производится
косвенными методами, среди которых могут быть названы термометрические (по газово-жидким включениям в минералах), минералогические
(с помощью минеральных термометров, основанных на фазовых переходах в различных минералах) и геохимические (базирующиеся на зависимости коэффициента распределения элементов в сосуществующих минералах от температуры их формирования).
Давление при процессах рудообразования обычно колеблется от
сотни до нескольких сотен мегапаскалей, достигая в редких случаях, например для месторождений алмазов в кимберлитах, 5-7 ГПа. Надежных
экспериментальных методов его определения в настоящее время нет, хотя делаются попытки количественной оценки давления в рудообразующих системах по замерам давлений во включениях в минералах.
Помимо температуры и давления важными физико-химическими
параметрами рудообразующих систем являются кислотность – щелочность среды (рН), окислительно-восстановительный потенциал (Eh),
режим углекислоты, серы, химическая активность ионов.
Источники вещества и способы его отложения. Источники вещества, из которых формируются полезные минеральные массы месторождений, достаточно разнообразны. Основными из них считаются сле255
дующие: 1) магматические расплавы корового или мантийного происхождения; 2) газовые, газово-жидкие и жидкие растворы, которые могут
отделяться от магмы на определенных стадиях ее эволюции или возникать вне связи с магматическими расплавами; среди растворов немагматического генезиса следует назвать образующиеся путем дегазации из
глубоких частей земной коры и верхней мантии «трансмагматические
растворы» по Д. С. Коржинскому, а также минерализованные поверхностные и подземные воды; 3) горные породы различного происхождения,
подвергающиеся механическому и химическому воздействию в экзогенных или эндогенных условиях и составляющие ту геологическую среду,
в которой осуществляется перемещение расплавов и растворов, активно
взаимодействующих с ней и заимствующих при этом многие ценные
компоненты; 4) продукты жизнедеятельности различных животных и
растительных организмов; 5) вещество космического происхождения.
Отложение вещества полезных ископаемых из минералообразующих сред также имеет различный характер. Исходя из названных источников, можно говорить об отложении вещества из расплавов, растворов
или его перегруппировке в твердом состоянии.
Отложение вещества из расплавов, осуществляющееся при образовании магматических или пегматитовых месторождений, носит характер кристаллизации, происходящей при прогрессивном снижении температуры.
Наиболее распространенным способом является выделение вещества
из водных и газово-водных природных растворов. Этот процесс обычно
регулируется изменением температуры, давления, концентрации и другими физико-химическими условиями среды. Поскольку вещество в растворах может находиться в ионно-молекулярной форме (в истинных растворах), в виде коллоидных частиц (в коллоидных растворах) или взвесей, способы его отложения различны. Среди них следует назвать: 1) механическое осаждение; 2) самопроизвольную коагуляцию растворов;
3) химическое осаждение, являющееся результатом различных химических реакций, а также испарения и пересыщения растворов; 4) биохими256
ческое осаждение в результате жизнедеятельности и отмирания животных и растительных организмов. Из газовых растворов вещество может
накапливаться путем сублимации и возгонки. В результате указанных
способов выделения вещества образуются залежи, отложения.
Особенно необходимо отметить способ отложения вещества при
обменных химических реакциях растворов с боковыми породами (процесс метасоматоза), наиболее широко распространенный при формировании контактово-метасоматических месторождений. Массоперенос
здесь имеет фильтрационно-диффузионный характер, а возникающие
залежи полезных ископаемых являются телами замещения.
Перегруппировка вещества в твердом состоянии, происходящая при
изменении температуры и давления, при фильтрации химически активных растворов, – основной способ образования полезных минеральных
масс в месторождениях метаморфогенного генезиса. Массоперенос при
этом обладает диффузионным или фильтрационно-диффузионным
характером.
Все вышеизложенное указывает на чрезвычайную сложность формирования месторождения полезных ископаемых, большое разнообразие геологических и физико-химических условий, определяющих процессы рудообразования.
10.6. Металлические полезные ископаемые
В настоящее время из руд месторождений извлекаются и используются в промышленности более 70 металлов. Промышленные классификации металлов многочисленны, разнообразны, но в значительной мере
условны, так как базируются на различных принципах (иногда даже
в одной классификации) - областях или промышленных отраслях применения, физических и химических свойствах, степени распространенности месторождений и др.
257
В зависимости от свойств металлов, определяющих направления
промышленного использования, их разделяют на следующие группы:
1. Черные и легирующие: железо, марганец, хром, титан, ванадий,
никель, кобальт, вольфрам.
2. Цветные: алюминий, медь, цинк, свинец, олово, сурьма, висмут,
ртуть.
3. Благородные: золото, серебро, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий, рутений, осмий).
4. Радиоактивные: уран, радий, торий.
5. Редкие и рассеянные: литий, бериллий, рубидий, цезий, гафний,
скандий, галлий, рений, кадмий, индий, таллий, германий, селен, теллур,
тантал, ниобий, цирконий.
6. Редкоземельные: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий,
самарий, иттрий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций.
Ведущие отрасли народного хозяйства, осуществляющие добычу
и переработку руд металлов, – черная и цветная металлургия. Черная
металлургия добывает и перерабатывает руды типичных черных металлов – железа, марганца, хрома, а также производит необходимое для металлургической переработки руд дополнительное сырье: магнезит, огнеупорные глины и др. На некоторых рудниках попутно получают неметаллическое сырье, применяемое в других отраслях.
В цветной металлургии кроме руд цветных металлов добывают благородные, редкие, рассеянные и редкоземельные металлы. Легирующие
металлы, необходимые для выплавки специальных сталей и сплавов,
также производят на предприятиях цветной металлургии. Радиоактивные металлы, включенные в группу металлических полезных ископаемых, используются преимущественно в качестве высококалорийного топлива в энергетике.
Перечисленные в настоящей классификации металлы, свойства которых прямо зависят от строения их атомов, занимают определенное поло258
жение в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева (табл. 13).
Химические особенности отдельных металлов при этом обусловливают
характер их поведения при различных геологических процессах, играют
важную роль при обосновании технологических схем их выделения из
руд при переработке, получения различных сплавов и соединений.
Месторождения металлических полезных ископаемых сложены ассоциациями химических элементов и минералов. Их пространственноморфологические особенности определяются совокупностью магматических, литолого-стратиграфических и структурных факторов, обусловленных рудогенетическими процессами. При группировке промышленных типов использована единая генетическая классификация месторождений полезных ископаемых. Важнейшими признаками, определяющими условия промышленного освоения месторождений металлических
полезных ископаемых, являются следующие:
1. Вещественный состав руд, характеризуемый составом и соотношением химических элементов и минеральных компонентов, структурой и
текстурой руд, а также изменчивостью этих показателей в рудных телах.
Металлические руды могут быть монометалльными (железные, хромовые, золотые и т. д.), из которых извлекается в основном один металл,
биметалльными, содержащими промышленные концентрации двух металлов (свинцово-цинковые, медно-молибденовые, сурьмяно-ртутные и
др.) и полиметалльными, служащими сырьем для получения нескольких
металлов (полиметаллические, медноколчеданные, медно-никелевые).
Для руд многих месторождений типично наличие редких и рассеянных
элементов, которые при возможности их извлечения значительно повышают ценность добываемого минерального сырья.
Показатели вещественного состава руд обусловливают общий характер и конкретные схемы их технологической переработки, а также
в конечном счете ценность месторождений и руд из-за различной стоимости извлекаемых металлов.
259
260
230
Периодическая система элементов Д. И. Менделеева
Таблица 13
2. Пространственно-морфологические параметры рудных тел, определяемые их формой, размерами, пространственным положением и условиями залегания среди вмещающих пород.
Эти показатели наиболее существенно влияют на условия эксплуатации: схемы вскрытия, способы и системы разработки. Так, крупные неглубоко залегающие тела даже при невысоком качестве руд целесообразно разрабатывать крупными карьерами. Мелкие жильные тела глубинного типа, имеющие небольшую мощность, разрабатываются, как
правило, подземным способом со значительным измельчением безрудных пород, что рентабельно только для высокоценных металлов.
10.7. Неметаллические полезные ископаемые
К неметаллическим относятся полезные ископаемые, используемые
в хозяйстве благодаря их специфическим физическим и физикохимическим свойствам, особенностям минерального состава, а также
возможностям получения различных продуктов и материалов. Их не
применяют для извлечения металлов (кроме калия, натрия, магния и др.)
и в качестве естественного топлива (кроме соединений бора как ракетного топлива и соединений фтора). Группа неметаллических полезных
ископаемых по числу видов гораздо обширнее групп металлических
и горючих полезных ископаемых. К неметаллическим относят свыше
130 промышленных видов полезных ископаемых, которые используются
в естественном виде или после предварительной переработки.
В естественном состоянии применяются такие промышленные кристаллы, минералы и горные породы, как асбест, слюды, тальк, исландский шпат, алмаз, оптический флюорит, драгоценные и поделочные
камни, гранат, корунд и другие абразивные материалы, песок, гравий,
строительные камни (изверженные, метаморфические и осадочные породы), графит, диатомит, магнезит и доломит, служащие огнеупорными,
261
теплоизоляционными и связующими материалами, поваренная соль
(пищевая), цеолиты, бентониты и другие природные сорбенты.
В переработанном виде минералы и горные породы пригодны для
получения стекла (кварцевый песок, полевые шпаты), керамики, кислотоупорных и теплоизоляционных материалов (глины, кремнистые породы, вермикулит и т. д.), вяжущих веществ (известняк, мел, мергель,
гипс), минеральных удобрений (фосфориты, апатиты), химических продуктов (сера, серосодержащие породы, бораты, минеральные соли, барит
и др.). По отношению к тем видам неметаллических полезных ископаемых, которые используются для извлечения из них в процессе промышленной переработки ценных химических элементов, минералов и минеральных агрегатов, употребляется термин «руда». Таковыми являются
асбестовые, графитовые, слюдяные (мусковитовые и флогопитовые),
апатиповые, фосфоритовые, серные, баритовые, калийные и многие другие руды.
Неметаллические полезные ископаемые существенно отличаются от
металлических и горючих особенностями оценки их качества и направлений промышленного использования. При изучении их важно не столько содержание полезных компонентов, сколько оценка технических
и физико-химических свойств, которые влияют на технологию переработки и качество конечной промышленной продукции. Поэтому качество неметаллических полезных ископаемых регламентируется стандартами, техническими условиями, кондициями, определяющими возможности применения каждого вида, разновидности и сорта сырья в той или
иной отрасли промышленного производства.
Неметаллические полезные ископаемые представляют собой, как
правило, сырье многоцелевого назначения. Так, в зависимости от конкретных показателей качества флюорит может использоваться в оптическом производстве, стекольной, металлургической и химической промышленности, сера - в сельском хозяйстве как составная часть ядохимикатов, в химической, резиновой, бумажной и пищевой промышленности,
262
цеолиты – в сельском хозяйстве, при очистке газов, природных и сточных вод, для извлечения металлов.
Кроме того, многие неметаллические полезные ископаемые, обладая общими свойствами, могут заменять друг друга в промышленном
производстве.
Отмеченные обстоятельства обусловливают сложность изучения и
оценки промышленной ценности месторождений неметаллических полезных ископаемых. Помимо определения запасов полезного ископаемого, содержания ценных компонентов (для неметаллических руд), горнотехнологических условий разработки и переработки требуется изучение
значительного комплекса физико-механических, физико-химических и
технологических свойств для сертификации сырья и установления для
каждого сорта конкретных направлений промышленного использования.
Классификация неметаллических полезных ископаемых по принципу промышленного применения вследствие их разнообразия и многоцелевого назначения представляет сложную задачу. Наиболее известные
классификации П. М. Татаринова, В. М. Крейтера, Р. Бейтса, И. Ф. Романовича, В. М. Борзунова, Н. П. Ермакова и В. И. Смирнова предусматривают разделение неметаллического сырья по сферам практического использования с учетом минералого-петрографических особенностей, характера полезных свойств и условий переработки. Главным недостатком большинства классификаций является необходимость относить одно и то же полезное ископаемое к разным классификационным
группам.
В настоящем учебном пособии принята классификация, наиболее
широко распространенная в учебной и научно-технической литературе.
Разделение неметаллических полезных ископаемых на три группы основано в ней на ведущих полезных свойствах и главных направлениях
промышленного использования.
1. Индустриальное сырье (драгоценные, поделочные и технические
камни): алмаз, рубин, сапфир, изумруд, гранаты, малахит, агаты и др.;
263
пьезооптическое и электротехническое сырье: пьезокварц, исландский
шпат, оптический кварц, оптический флюорит, мусковит, флогопит; тепло- и звукоизоляционные, кислото- и щелочеупорные, а также огнеупорные материалы и добавочное сырье для металлургии: графит, асбесты хризотиловые и амфиболовые, тальк, магнезит, флюорит, барит, витерит; природные сорбенты: цеолиты, бентониты и др.
2. Химическое и агрономическое сырье (минеральные соли): калийные, калийно-магниевые, поваренная, сульфат натрия, природная сода; фосфатное сырье: апатит, фосфориты; серное и борное сырье.
3. Минеральное сырье для промышленности строительных материалов (для производства заполнителей легких бетонов и теплоизоляционных материалов): пемза, вулканические и известковые туфы, диатомиты, трепелы, опоки, перлит, вермикулит; строительный и облицовочный камень: изверженные, осадочные и метаморфические горные
породы; сырье для получения вяжущих материалов: карбонатные породы, гипс и ангидрит; строительный песок и песчано-гравийные материалы; керамическое сырье: глины и каолины, полевые шпаты и пегматиты;
стекольное сырье; породы для каменного литья; минеральные пигменты.
Первая группа объединяет полезные ископаемые – минералы и горные породы, обладающие специфическими физическими свойствами:
теплостойкостью, огнеупорностью, высокой твердостью, пьезоэлектрическими и оптическими эффектами и др. Они используются в естественном виде или после обогащения. Химические и агрономические руды
подвергаются более грубой переработке для извлечения ценных химических элементов и соединений. В третью группу входят горные породы,
которые применяются в промышленности строительных материалов в
естественном виде, а также после термической или физико-химической
переработки. Границы между выделенными группами не являются строгими. Отдельные виды неметаллических полезных ископаемых, имеющие многоцелевое назначение (барий, магнезит, гипс, ангидрит, флюо264
рит, кварц, полевые шпаты, нефелин и др.), могут попадать в различные
классификационные группы.
Неметаллические полезные ископаемые сложены преимущественно
петрогенными элементами, которые концентрируются в экзогенных
процессах. Поэтому большинство месторождений неметаллического сырья относится к седиментогенной серии. Многие виды индустриального
сырья (алмаз, графит, кварц, тальк, слюды, асбест и т. д.) формируются
в эндогенных условиях. Для ряда неметаллических полезных ископаемых характерны месторождения промежуточного генезиса – магматогенно-метаморфогенные и магматогенно-седиментогенные.
10.8. Горючие ископаемые
Горючие ископаемые подразделяют на твердые (торф, ископаемый
уголь, горючие сланцы), жидкие (нефть) и газообразные (горючие газы).
Они нередко объединяются под одним термином – «каустобиолиты», происходящим от греческих корней «каусто» – горючий, «БИОС» – жизнь
и «литос» – камень. Однако нефть и газы не камни, поэтому наиболее правильным следует считать наименование «горючие ископаемые».
Существует несколько классификаций углей. Они разработаны
с учётом степени углефикации углей, их петрографического состава,
химического состава и теплотворной способности, промышленных
свойств, происхождения углей и пр. Единой классификации, в которой
учитывались бы все особенности углей, пока не создано.
По степени углефикации различают бурый уголь, каменный уголь,
полуантрацит и антрацит. Конечной стадией углефикации является
графит (графитизация).
По петрографическому составу углей выделяют четыре главных
типа: фюзен (вытянутый) – матовый, волокнистый, хрупкий, марающий
пальцы уголь, встречающийся обычно в виде линз в угольной массе;
дюрен (твёрдый) – матовый, плотный, неслоистый, менее хрупкий уголь,
265
встречающийся мощными пластами; витрен (стекляный) – блестящий,
хрупкий уголь, слагающий небольшие линзовидные тела; кларен (светлый) – блестящий, плотный уголь, слагающий мощные пласты.
По химическому составу и теплотворной способности каменные угли разделены на 6 групп: длиннопламенные (Д), газовые (Г), паровичножирные (ПЖ), коксовые (К), паровично-спекающиеся (ПС), тощие (Т).
Накопление сапропеля приводит к образованию так называемых битуминозных пород, содержащих нефтепродукты. В 1919 г. академик
Н. Д. Зелинский, подвергая перегонке озёрный сапропель, получил продукты, входящие в состав нефти: бензин, керосин и нефтяные масла.
Наличие в сапропелях нефтепродуктов дало основание предположить, что сапропели являются исходным материалом для образования
нефти. По этой теории (вообще не единственной) при преобразовании
сапропеля на дне моря под толщей других осадков без доступа воздуха,
в клетках отмерших микроорганизмов за счёт разрушения белка накапливаются жиры. По образному выражению И. М. Губкина, клетки, не
получая пищи, «жиреют с голоду». В дальнейшем за счет разложения
жиров под влиянием анаэробных бактерий получается первичная нефть кероген, из которого возникает нефть. Среди верхнедевонских отложений западного склона Урала наблюдаются древние сапропели – доманик –
материнская порода нефтей Второго Баку. Уральский доманик представляет песчано-глинистую или карбонатную битуминозную породу,
пропитанную нефтью под воздействием тектонических факторов при
горообразовании, а также под влиянием температуры нефть и газ из такой породы мигрировали в соответствующие структуры. Так возникло
большинство месторождений нефти.
Горючие ископаемые составляют основу топливно-энергетического
комплекса и вследствие этого имеют огромное практическое значение.
Они являются топливно-энергетической базой для всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытового сектора и
исходным сырьем для химической, коксохимической и электронной
266
промышленности. В общей стоимости добываемого в мире минерального сырья на полезные ископаемые этой группы приходится более 75 %.
Топливно-энергетический баланс в текущем столетии претерпел существенные изменения. В начале XX в. в его составе главную роль играл
уголь (> 90 %). В середине столетия стали широко использоваться более
эффективные по сравнению с углем виды энергетического сырья –
нефть и газ, в связи с чем доля угля в топливно-энергетическом балансе
снизилась до 50 %.
Уголь, нефть и газ относятся к невозобновляемым органическим источникам энергии и химического сырья. Однако запасы углей в недрах
по энергетическому потенциалу во много раз превышают запасы нефти
и газа. В прогнозных ресурсах, оцениваемых в 12,8 трлн. тонн условного
топлива, уголь составляет более 85 %. Поэтому он рассматривается как
наиболее надежный источник энергии и химического сырья на многие
столетия.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Что называется полезным ископаемым, рудой?
2. Как подразделяют полезные ископаемые по промышленному использованию?
3. Дайте характеристику основных морфологических типов тел полезных
ископаемых.
4. Какие геологические элементы определяют форму, размеры и условия
залегания изометричных, плоских и трубообразных тел полезных ископаемых?
5. Какие тела (месторождения) полезных ископаемых называются сингенетическими и эпигенетическими, согласными и секущими?
6. На каких принципах основана классификация месторождений полезных ископаемых?
7. Дайте характеристику геологических факторов, определяющих условия образования и размещения месторождений полезных ископаемых.
267
8. Назовите интервалы глубин, на которых происходит формирование
месторождений полезных ископаемых.
9. На какие группы разделяют металлические полезные ископаемые в зависимости от свойств металлов, определяющих направления промышленного
использования?
10. Перечислите основные признаки, от которых зависят условия промышленного освоения месторождений металлических полезных ископаемых.
11. Какие полезные ископаемые относятся к группе неметаллических?
12. Дайте классификацию неметаллических полезных ископаемых по основным направлениям их промышленного применения.
13. Что такое каустобиолиты? Какое значение они имеют для жизнедеятельности человека?
268
Глава 11
СИСТЕМА ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ НЕДР
11.1. Организация геологического изучения недр в России
Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых – самостоятельная наука геологического цикла. Как и всякая другая наука, она
имеет свой предмет (месторождения и проявления полезных ископаемых), цель (обеспечение народного хозяйства промышленными запасами минерального сырья) и методы исследования (создание систем разрезов, опробование и геолого-экономическая оценка). В соответствии
с главной целью рассматриваемой науки ее основной задачей считается
геолого-промышленная оценка недр.
Геологическое изучение недр в России производится последовательно и планомерно с тем, чтобы не только получить необходимую
геологическую информацию о недрах, но и своевременно выявить промышленные и отбраковать непромышленные скопления полезных ископаемых. В общей системе геологического изучения недр выделяют три
этапа, в которых имеется пять стадий (табл. 14).
Этап I. Работы общегеологического и минерагенического назначения. Стадия 1. Региональное геологическое изучение недр и прогнозирование полезных ископаемых.
Этап II. Поиски и оценка месторождений. Стадия 2. Поисковые работы. Стадия 3. Оценочные работы.
Этап III. Разведка и освоение месторождений. Стадия 4. Разведка
месторождений. Стадия 5. Эксплуатационная разведка.
На каждой стадии геологического изучения недр осуществляется их
геолого-промышленная оценка, заключающаяся в определении действительной или возможной значимости изучаемого участка земной коры,
в котором содержатся или могут содержаться скопления полезной минерализации или же предполагается горное строительство. С этой целью
269
исследуются состав и строение горных пород и полезного ископаемого,
условия залегания, степень и характер тектонической нарушенности,
гидрогеологические и инженерно-геологические характеристики месторождения, географо-экономические условия района и т. п.
Геолого-промышленная оценка, так же как и геологическое изучение, – процесс непрерывный. Это означает, что каждое новое описание
обнажения, скважины, результат исследования пробы должны учитываться, и по этим данным должны, если необходимо, вноситься коррективы в оценку на всех этапах промышленного освоения.
На предпроектных этапах промышленного освоения недр геологопромышленная оценка заключается в предварительном изучении геологических условий и определении прогнозных ресурсов, а в случае, если
промышленное значение месторождения не вызывает сомнений, то и в
подсчете запасов.
На этапе проектирования горнодобывающего предприятия или объекта горного строительства результатом геолого-промышленной оценки
должно быть выявление с необходимой степенью достоверности всех
пространственно-морфологических, объемно-качественных, гидрогеологических и инженерно-геологических факторов и показателей осваиваемого природного объекта.
На дальнейших этапах промышленного освоения геолого-промышленная оценка осуществляется в процессе получения новых знаний
о геологических особенностях объекта и с учетом изменения техникоэкономических показателей и условий его освоения.
Таким образом, необходимую геологическую информацию для геолого-промышленной оценки недр на предпроектных этапах их освоения
получают в результате проведения комплексной геологической съемки,
поисков и разведки разной степени детальности, а на последующих этапах – по данным доразведки (разведки в пределах горного отвода), эксплуатационной разведки и геологического обеспечения горно-эксплуатационных работ.
270
271
Крупные геолого-структурные,
экономические,
горнорудные
районы РФ, глубинные части
земной коры и т. д.
Объект изучения
Этап II. Поиски и
оценка месторождений
Стадия 2. Поис- Бассейны, рудные районы, узлы
ковые работы
и поля с оцененными прогнозными ресурсами категорий Р1
и Р2
Этап I. Работы
общегеологического и минералогического назначения
Стадия 1. Региональное геологическое изучение
недр и прогнозирование полезных
ископаемых
Этап, стадия
269
Геологическое изучение территории
поисков; выявление проявлений и месторождений полезных ископаемых;
определение целесообразности их
дальнейшего изучения
Создание фундаментальной многоцелевой геологической основы прогнозирования полезных ископаемых;
обеспечение различных отраслей промышленности
систематизированной
геологической информацией для решения вопросов в области геологоразведочных работ, горного дела и т. д.
Цель работы
Комплексная оценка геологического
строения и перспектив исследованных
площадей; выявленные проявления и
месторождения полезных ископаемых
с оценкой их прогнозных ресурсов по
категориям Р2 и Р3 оценка возможно-
Комплекты обязательных и специальных геологических карт различных
масштабов (1:1000000, 1:2000000,
1:50000), сводные и обзорные карты
геологического содержания масштабов 1:500000 и мельче; комплект карт,
схем и разрезов глубинного строения
недр РФ; комплексная оценка минералогического потенциала территории с
выделением перспективных рудных
районов и узлов, зон; определение
прогнозных ресурсов категорий Р1 и Р2
Основной конечный
результат
Этапы и стадии геологоразведочных работ на твердые полезные ископаемые
(извлечения из Положения порядка проведения геологоразведочных работ…,
утвержденного 05.07.99)
Таблица 14
272
Объект изучения
Этап III. Разведка
и освоение месторождений
Стадия 4. Развед- Месторождения полезного иска месторожде- копаемого с оцененными запаний
сами по категориям С2 и С1 и
прогнозными ресурсами категории Р1
Стадия 3. Оце- Проявления и месторождения
ночные работы
полезных ископаемых с оцененными ресурсами категорий
Р2 и Р1
Этап, стадия
270
Изучение геологического строения,
технологических свойств полезного
ископаемого, гидрогеологических, инженерно-геологических условий отработки месторождения; технико-экономическое обоснование промышленной
ценности и освоения месторождения;
уточнение геологического строения
недостаточно изученных участков
(фланги, глубокие горизонты) с переводом запасов из низших в более высокие категории
Геологическое изучение и геологоэкономическая оценка проявлений и
месторождений; отбраковка проявлений, не представляющих промышленной ценности
Цель работы
Геологические, гидрогеологические,
горно-геологические и другие данные,
необходимые для составления технико-экономического обоснования постоянных кондиций и освоения месторождения; подсчитанные запасы по
категориям А, В, С1 и С2
сти их освоения на основе укрупненных показателей; обоснование целесообразности и очередности дальнейших
работ.
Месторождения полезных ископаемых
с оценкой их запасов по категориям С2
и С1, а по менее изученным участкам –
прогнозных ресурсов категории Р3
технико-экономическое обоснование
временных кондиций и промышленной ценности месторождений
Основной конечный
результат
Продолжение таблицы 14
273
Объект изучения
Стадия 5. Экс- Эксплуатационные этажи, гориплуатационная
зонты, блоки, уступы, подгоразведка
тавливаемые для очистных работ
Этап, стадия
271
Уточнение полученных при разведке
данных для оперативного планирования добычи; контроль за полнотой и
качеством отработки запасов
Цель работы
Запасы подготовленных и готовых к
выемке блоков; исходные материалы
для оценки полноты отработки месторождения; уточнение потерь и разубоживание полезного ископаемого
Основной конечный
результат
Окончание таблицы 14
До применения нового Закона «О недрах» геологосъемочные, поисковые и разведочные работы (кроме эксплуатационной разведки) проводились за счет средств госбюджета и поэтому были жестко регламентированы по стадиям. В настоящее время госбюджетное финансирование
сохраняется лишь для государственной геологической съемки масштаба
1:200000 и мельче, а также для региональных геолого-геофизических
исследований, имеющих общегосударственный и международный характер. Более детальные работы, начиная с геологической съемки, направленные на выявление и оценку конкретных объектов, финансируются либо отраслевыми комитетами, либо будущими недропользователями за счет собственных источников.
В связи с этим появляется возможность управления и более гибкого
маневрирования путем совмещения или исключения отдельных стадий
геологоразведочного процесса, что не должно, однако, наносить ущерб
полноте и качеству геологических исследований.
Особым случаем геологического изучения недр является изучение,
проводимое в пределах геологических заповедников, заказников и особо
охраняемых территорий. Эти объекты находятся в ведении государственных органов, организующих и координирующих все работы, выполняемые в пределах указанных территорий. В отдельных случаях допускается ограниченная эксплуатация расположенных на подведомственных территориях месторождений полезных ископаемых, для чего также
предоставляется лицензия.
11.2. Геологическая съемка
Геологическая съемка – один из основных видов исследований, задачей которого являются систематическое и всестороннее изучение геологического строения верхней части земной коры и оценка перспектив
выявления на конкретных участках тех или иных видов минерального
274
сырья. Конечным результатом геологической съемки является геологическая карта, представляющая собой графическую модель участка земной коры, выполненную методами картографии. Сущность составления
геологической карты заключается в выявлении геологического строения
данного участка земной поверхности, прослеживании на местности границ геологических тел и нанесении их на топографическую основу специально упрощенную топографическую карту.
В зависимости от детальности исследования геологическая съемка
подразделяется на мелкомасштабную (1:1000000 и 1:500000), среднемасштабную (1:200000 и 1:100000), крупномасштабную (1:50000
и 1:25000) и детальную (1:10000 и крупнее).
Средне- и крупномасштабные съемки являются основными видами
картирования всех важных в практическом отношении районов и в первую очередь районов, перспективных в отношении выявления месторождений тех или иных полезных ископаемых. Эти виды съемок всегда
сопровождаются поисковыми работами.
Детальные геологические съемки проводятся в пределах территорий
распространения определенного полезного ископаемого в целях выявления геологии месторождений, закономерностей расположения рудных
тел и служат основанием для постановки разведочных работ.
Существенная особенность крупномасштабных и детальных съемок
заключается в необходимости получения объемного представления
о геологическом строении изучаемого участка, что обусловливает широкое применение геофизических методов исследования, а также буровых
и горных работ.
Геологические съемки масштаба 1:200000 и крупнее выполняются
в основном групповым методом, причем изучается территория более
или менее крупной геологической структуры, занимающей площадь серии смежных топографических планшетов соответствующего масштаба.
Такое картирование позволяет получить более представительный и многосторонний фактический материал, дающий возможность составить
275
наиболее полное представление об изучаемом объекте, сократить время
и средства на проведение геологосъемочных работ по сравнению с картированием отдельными планшетами.
Процесс геологического картирования подразделяется на периоды:
подготовительный, полевой и камеральный.
Основными задачами подготовительного периода являются: составление проекта работ, организация партии, обеспечение ее необходимым снаряжением и оборудованием, топографическими картами, аэрофотоснимками, изучение фондовых и литературных материалов,
предварительное дешифрирование аэрофотоматериалов и составление
предварительных геологических карт по району работ. Продолжительность периода 2-3 месяца.
В начале полевого периода обычно организуются ознакомительные
рекогносцировочные маршруты, во время которых все исполнители знакомятся с геологическими особенностями района работ. При этом вырабатываются единая номенклатура горных пород, техника проведения
маршрутов и документации наблюдений. При необходимости производятся аэровизуальные наблюдения с самолета или вертолета.
В дальнейшем осуществляются рабочие маршруты, которые проводят или пересечениями вкрест простирания горных пород (применяются
преимущественно при мелкомасштабных съемках), или прослеживанием
геологических границ по простиранию (при крупномасштабных съемках). Обычно, особенно при среднемасштабных съемках, в зависимости
от местных условий комбинируются оба эти приема. Метод прослеживания геологических границ отличается тем преимуществом, что позволяет непосредственно определить положение в пространстве геологических тел и структурных элементов, которые должны быть отражены на
геологической карте.
Важнейшая роль при проведении геологосъемочных работ принадлежит аэрометодам, суть которых заключается в дешифрировании – выявлении на аэрофотоснимках контуров геологических тел, стратиграфи276
ческих границ, складчатых структур, разрывных нарушений и т. д.
Результаты дешифрирования проверяются, уточняются и увязываются
с геологическими данными, полученными в наземных условиях (в маршрутах).
В подавляющем большинстве случаев геологическая съемка сопровождается применением геофизических методов. Эти методы основаны
на изменении значений физических полей приповерхностных частей
земной коры.
Крупномасштабные и детальные геологические съемки проводятся
с применением горных работ и бурения.
При геологическом картировании большое значение имеет правильно осуществляемая техника полевых работ: ведение полевой записной
книжки - полевого дневника, составление полевой геологической карты,
сбор каменного материала.
Составление полевой геологической карты является важнейшей задачей полевых исследований. На полевую карту специальными значками непосредственно в маршруте наносятся все результаты геологических наблюдений: точки наблюдения, разновидности горных пород, границы различных геологических образований, элементы залегания и др.
Исключительное значение при этом имеет непосредственное дешифрирование аэрофотоснимков.
Важный составной элемент полевых работ – сбор коллекций образцов горных пород, окаменелых остатков организмов, руд и т. д. Все отобранные образцы снабжают этикетками и записывают в журнал образцов, в котором должны быть указаны дата, номера точек наблюдения
с указанием их местоположения, название породы, возраст (название
свиты, массива и т. п.), отметки о необходимости изготовления шлифа,
направления на анализы и т. д.
Продолжительность полевого периода в зависимости от геологической широты местности составляет 4-6 месяцев.
277
В камеральный период изучают весь собранный коллекционный
материал, систематизируют информацию, содержащуюся в полевых
дневниках, завершают дешифрирование аэрофотоматериалов, уточняют
полевую геологическую карту, карту полезных ископаемых и другие
карты, составляют сводную стратиграфическую колонку и геологические разрезы и в итоге пишут геологический отчет, который утверждается в установленном порядке и сдается в Геологический фонд.
Главным элементом отчета является геологическая карта, изображающая в том или ином масштабе геологическое строение изученного
района. На геологической карте посредством особых условных знаков
показывают распределение горных пород на земной поверхности, условия их залегания, возрастные взаимоотношения, тектоническую структуру и т. д.
Геологическая карта сопровождается стратиграфической колонкой,
геологическими разрезами и серией специальных геологических карт.
Набор специальных карт весьма разнообразен. Он определяется
спецификой геологического строения района и дополнительными задачами, которые ставятся перед геологосъемочными работами в каждом
конкретном случае.
Геологическая карта сопровождается текстовым отчетом, в котором
содержится полная геологическая характеристика района и приводятся
рекомендации относительно дальнейшего направления геологических
исследований.
В ходе геологической съемки всегда проводятся поисковые работы,
задачами которых являются:
1) выявление полезных ископаемых и установление их связи с особенностями геологического строения района;
2) изучение пространственных закономерностей размещения полезных ископаемых;
3) опробование и предварительная оценка перспектив обнаружения
месторождений полезных ископаемых;
278
4) выделение участков для постановки поисков и поисково-разведочных работ.
В итоге геологическая съемка даёт научную основу для поисков
и разведки выявленных на изучаемой территории месторождений полезных ископаемых.
11.3. Поиски месторождений полезных ископаемых
При поисках месторождений полезных ископаемых используют
геологические карты и карты прогноза полезных ископаемых масштаба
1:50000 – 1:25000 в пределах площадей, перспективных на нахождение
того или иного вида минерального сырья. Различают следующие этапы
поисков месторождений полезных ископаемых: общие поиски; детальные поиски; поисково-оценочные работы.
Общие поиски имеют целью выявление площадей, перспективных
на нахождение месторождений полезных ископаемых, а также обнаружение самих месторождений и их оценку. Такие поиски осуществляются
с помощью геологических, геофизических, геохимических методов,
а также с применением горных и буровых работ. В результате общих
поисков обосновывается оценка перспектив исследованной территории
на тот или иной вид минерального сырья и даются рекомендации относительно очередности дальнейших поисковых работ.
Детальные поиски проводят на тех площадях, где выявлены перспективные рудопроявления, и на перспективных площадях, выделенных при общих поисках или находящихся в районах известных месторождений. Задачей детальных поисков являются оценка перспектив исследованной территории и выявление скоплений минерального сырья,
заслуживающих дальнейшей оценки. Детальные поиски в зависимости
от геологических условий осуществляются комплексом наиболее рациональных поисковых методов с применением горных и буровых работ.
Масштаб детальных поисков (1:10000 и крупнее) выбирают в зависимо279
сти от сложности геологического строения исследуемой территории
и особенностей рудоносных площадей, рудных полей, ожидаемых месторождений и отдельных форм рудных тел.
Поисково-оценочные работы проводят на перспективных проявлениях полезных ископаемых, обнаруженных на ранних этапах поисков.
Задача этих работ состоит в перспективной оценке выявленных минеральных скоплений и обоснованном выборе объектов для разведки. Решается она при комплексном выполнении специальных геологических,
геофизических и геохимических исследований с использованием буровых и горных работ; в значительных объемах проводят опробование полезного ископаемого по естественным и искусственным обнажениям.
В результате поисково-оценочных работ должен быть определен геолого-промышленный тип месторождения, установлены его геологические
границы в плане и составлен геологически обоснованный прогноз о поведении рудных тел на глубине.
11.4. Разведка месторождений полезных ископаемых
Основная задача геологической разведки, которая проводится на основании данных поисковых работ, заключается в выявлении геологопромышленных параметров месторождения для обоснованного проектирования и строительства горнорудного предприятия в целях наиболее
полного и экономически выгодного извлечения полезного ископаемого.
Решение этой задачи ведётся по стадиям разведки путём последовательного приближения от общего к частному, от ориентировочных запасов
к всё более достоверным. Выделяют две стадии разведочных работ: разведка месторождения и эксплуатационная разведка.
280
Разведка месторождения
В результате разведки определяется промышленное значение месторождения, выделяются промышленные и непромышленные участки, а
также устанавливается промышленно-экономическая ценность разведуемого объекта по сравнению с другими месторождениями данного типа.
Разведка проводится на месторождениях, получивших положительную оценку по итогам поисковых и оценочных работ. В результате разведки проводящая эту работу организация должна составить техникоэкономический доклад (ТЭД) о целесообразности промышленного освоения месторождения. Особенностью разведки по сравнению с поисками и является точное определение границ объекта как в плане, так и на
глубину.
К специальным задачам разведки относятся:
1) определение технических и технологических свойств полезного
ископаемого в заводских и полузаводских условиях;
2) проведение пробных эксплуатационных работ;
3) детальное изучение на основании специальных опытных работ
гидро- и инженерно-геологических условий, газового и термального режима проходки и эксплуатации горных выработок;
4) геометризация полезного ископаемого по естественным и промышленным его типам и сортам;
5) определение источников водоснабжения будущего предприятия
и населения промышленного города.
На стадии разведки широко применяются подземные горные работы, поэтому существенным элементом геологических работ на этой стадии являются подземные геологические съемки на базе маркшейдерских
планов.
Поскольку разведка – завершающая стадия изучения месторождения
перед его передачей в промышленность, на этой стадии обобщаются все
281
геологические материалы (ряд сводных геологических документов на
основе детальной геологической карты месторождения).
Проектирование и строительство горнорудного предприятия осуществляются после окончания разведки.
Эксплуатационная разведка
Основная задача эксплуатационной разведки – уточнение контуров
тел полезного ископаемого, его запасов и качества с целью получения
надежных геологических данных и материалов для обоснования планирования эксплуатационных работ.
В результате эксплуатационной разведки могут быть увеличены запасы сырья за счет обнаружения новых рудных тел, параллельных
и слепых тел полезного ископаемого, расположенных в непосредственной близости от отрабатываемого тела, а также вовлечены в отработку
некондиционные руды или уменьшены запасы за счет выявления пережимов, безрудных участков и т. п.
11.5. Опробование при разведке и разработке месторождения
Качество полезного ископаемого изучается путем опробования.
Объектами изучения могут быть отдельные пробы, природные типы или
промышленные сорта руд, блоки подсчета запасов, рудные тела и месторождения в целом. Кроме того, опробовать приходится и вмещающие
породы, особенно те, которые залегают внутри рудных тел или в непосредственной близости от них. В процессе опробования изучаются различные показатели качества разными способами, поэтому выделяется
несколько видов опробования: химическое, минералогическое, технологическое и техническое.
Химическое опробование служит для изучения химического состава
руд и вмещающих пород. В процессе опробования определяют: содер282
жание главных и попутных компонентов, изменение химического состава в пространстве, зависимость между содержаниями компонентов. Для
большей части полезных ископаемых этот вид опробования является основным. На основании полученных при этом данных производится
оконтуривание рудных тел и промышленных сортов руд, а также подсчет запасов руды и отдельных ее компонентов,
Минералогическое опробование имеет целью выявление минерального состава руд и вмещающих пород, их текстурно-структурных особенностей, а также химического состава минералов. На некоторых типах
месторождений (россыпи) минералогическое опробование является основным и применяется для подсчета запасов. С помощью этого опробования выделяют природные типы руд и выясняют строение рудных тел.
Технологическое опробование проводится для создания рациональной схемы переработки минерального сырья, проверки применимости
существующих схем, а также для установления технологических показателей переработки в лабораторных или заводских условиях.
Техническое опробование предназначено для изучения физических
свойств полезного ископаемого. Для ряда полезных ископаемых (слюда,
асбест, пьезооптическое сырье, строительные материалы, каменный
уголь и т. д.) данный вид опробования - основной вид испытания минерального сырья.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Назовите основные этапы геологического изучения недр в России.
2. В чем заключается сущность геологического картирования?
3. Что является результатом геологического картирования?
4. Какие выделяются этапы поисков месторождений полезных ископаемых?
5. Какие выделяются стадии разведки месторождений?
6. В чем отличие различных стадий разведки месторождений?
7. Для чего проводится опробование тел полезных ископаемых?
8. Какие существуют виды опробования?
283
Глава 12
ГЕОЛОГО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ОЦЕНКА МЕСТОРОЖДЕНИЙ
12.1. Задачи оценки
Правильная и своевременная геолого-экономическая оценка месторождений на всех стадиях геологоразведочных работ служит основой их
рационального планирования, оценки их экономической эффективности,
способствуя своевременному выявлению минеральных ресурсов и рациональному использованию недр.
Геолого-экономическая (или геолого-промышленная) оценка осуществляется в процессе изучения месторождения или проявления полезных
ископаемых непрерывно, так как каждая новая выработка, каждый анализ вносят изменения и уточнения в количественную и качественную
оценку объекта и горно-геологические условия его разработки.
Основной целью такой оценки на этапе поисков является определение целесообразности дальнейшего освоения изучаемого проявления
полезного ископаемого, т. е. целесообразности постановки разведки.
Поскольку информации, получаемой по результатом поисков, обычно
недостаточно для проведения конкретных технико-экономических расчетов, то основным способом геолого-промышленной оценки на этой
стадии является аналогия – сравнение установленных характеристик
проявления полезных ископаемых с показателями хорошо изученного
аналогичного по промышленно-генетическому типу месторождения.
В отдельных случаях на этапе поисков (чаще поисково-оценочных
работ) геолого-промышленная оценка может осуществляться путем технико-экономических расчетов. Целесообразность дальнейшего освоения
месторождения подтверждается расчетом возможной производительности, сроков существования будущего горнодобывающего предприятия и
ценности полезного ископаемого, выполняемых исходя из возможного
(так как запасы на этой стадии не подсчитываются) количества полезно284
го ископаемого и полезных компонентов, содержащихся в месторождении, и потребности промышленности в данном виде сырья.
Геолого-промышленная оценка по результатам разведки практически целиком базируется на технико-экономических расчетах. Основой
такой оценки являются технико-экономическое обоснование (ТЭО)
предварительных кондиций и технико-экономический доклад (ТЭД),
в котором рассматривается экономическая целесообразность дальнейшего освоения месторождения, исходя из его масштабов, горнотехнических условий разработки, возможных технологических схем переработки полезного ископаемого и экономико-географических условий района.
Для месторождений, заслуживающих дальнейшего освоения, в ТЭДе
обосновывается возможность совмещения детальных разведочных работ
с проектированием и строительством горнодобывающего предприятия
и рекомендуются участки для первоочередного освоения,
В ходе геолого-промышленной оценки по результатам разведки
должны быть определены:
1) количество запасов полезного ископаемого (устанавливается при
изучении формы, условий залегания и размеров тел полезных ископаемых путем построения системы геологических разрезов);
2) качество полезного ископаемого и количество полезных (основного и сопутствующих) компонентов (выявляются опробованием);
3) технологические свойства полезного ископаемого, т. е. возможность и рациональность извлечения всех полезных компонентов или переработки полезного ископаемого для дальнейшего использования в соответствующих отраслях промышленности (устанавливаются в ходе
технологического опробования);
4) горнотехнические условия разработки месторождения (выясняются по результатам гидрогеологических и инженерно-геологических
исследований, а также при изучении пространственно-морфологических
особенностей тел полезного ископаемого);
285
5) экономико-географические условия района месторождения:
климат, рельеф местности, энергетические ресурсы, транспортные условия, обеспеченность топливом и местными строительными материалами,
трудовые ресурсы, экономический профиль района и т. д. (оцениваются
на основании изучения соответствующих условий в период проведения
разведки).
Окончательная оценка месторождения проводится после завершения разведки, точнее после подсчета запасов и утверждения промышленных кондиций, так как главным критерием промышленной значимости месторождения, основой расчетов его ценности являются запасы полезного ископаемого и полезных компонентов. Причем важно определить не только количество запасов минерального сырья, но и их достоверность, то есть важно, чтобы эти запасы оказались при отработке
в том месте, имели то качество и те особенности, которые были установлены в процессе подсчета. На основе подсчета запасов оцениваются
годовая производительность горнодобывающего предприятия, выпуск
товарной продукции (руды или концентратов), себестоимость, рентабельность разработки месторождения с учетом мероприятий по сохранению окружающей среды. При этом оценочные показатели могут рассчитываться не только для всего месторождения, но и для отдельных его
участков.
12.2. Понятие о кондициях
Кондиции представляют собой комплекс требований промышленности к минеральному сырью. На их основании определяется экономическая целесообразность разработки месторождения или его части. Иначе говоря, кондиции – это граничные параметры, ниже которых разработка полезного ископаемого становится невыгодной. Кондиции рассчитываются для каждого месторождения исходя из современного состояния техники, технологии и экономики, а также географо-экономических
286
и горно-геологических условий месторождения; при изменении какоголибо из перечисленных факторов они пересматриваются. Состав кондиций, т. е. перечень показателей, по которым устанавливаются граничные
условия, зависит от вида минерального сырья, но в любом случае выделяют три вида требований: по качеству, количеству и горнотехническим
условиям.
Для месторождений металлических полезных ископаемых и горнохимического сырья кондиции включают минимальное промышленное содержание полезного компонента, бортовое содержание полезного компонента, максимально допустимое содержание вредных примесей, минимальную выемочную мощность полезного ископаемого, максимальную
мощность прослоев пустых пород или предельный коэффициент рудоносности, предельные технические и гидрогеологические условия.
Минимальное промышленное содержание – это среднее содержание полезного компонента в блоке или отдельном теле полезного ископаемого, ниже которого разработка нецелесообразна. Оно зависит от
многих факторов: степени извлечения полезного компонента из руды,
производительности предприятия, трудоемкости технологического процесса, себестоимости добычи руды, объема капитальных вложений, объема затрат на сохранение окружающей среды, количества разведанных
запасов, отпускной цены на готовую продукцию предприятия, числа извлекаемых компонентов и др.
Для месторождений, содержащих несколько полезных компонентов,
минимальное промышленное и бортовое содержания устанавливаются
либо для каждого компонента, либо по условному металлу, в качестве
которого обычно принимается основной полезный компонент, а содержание сопутствующих учитывается с помощью переводных коэффициентов. В кондициях приводится перечень попутно извлекаемых компонентов и указывается величина переводных коэффициентов.
Следует заметить, что для каждого месторождения и для каждого
компонента переводные коэффициенты рассчитываются отдельно в за287
висимости от ценности компонентов, возможности и полноты их извлечения и т. п.
Бортовое содержание как показатель кондиций может вводиться
при отсутствии четких геологических границ рудного тела или при неравномерном или весьма неравномерном распределении полезных компонентов. Значение бортового содержания всегда ниже минимального
промышленного и обычно приравнивается к содержанию полезного
компонента в хвостах обогатительной фабрики, т. е. при бортовом содержании еще возможно извлечение полезного компонента из горной
массы. Бортовое содержание применяют при оконтуривании рудных тел
и ограничении непромышленных участков внутри их. В общем случае это содержание полезного компонента в крайней пробе, по которой может быть проведен контур тела полезного ископаемого. Данный контур
закрепляется (удерживается), если среднее содержание во всем рудном
теле окажется не ниже минимального промышленного. В противном
случае в качестве крайней (контурно) пробы должна быть принята другая – с более высоким содержанием.
На каждом месторождении величина бортового содержания рассчитывается подбором вариантов, которых должно быть не менее трех (рекомендуемое значение, выше и ниже его).
Для месторождений ценных полезных ископаемых, в которых рудные тела либо имеют малую мощность, либо характеризуются сложным
или весьма постепенным выклиниванием, в качестве кондиционного показателя вводится линейный запас (метропроцент). Например, минимальная выемочная мощность равна 2 м, минимальное промышленное
содержание полезного компонента – 0,5 %, тогда минимальный промышленный линейный запас составит 1,0 м % (2 – 0,5 = 1). В таком случае отработка полезного ископаемого мощностью 0,2 м экономически
целесообразна при содержании полезного компонента не менее 5 %
(0,2 – 5 = 1,0 м %).
288
На месторождениях с прерывистым и крайне неравномерным распределением оруденения (жильные зоны, гнездовые и штокверковые тела и залежи цветных, редких и благородных металлов) в качестве показателя кондиций рассматривается также коэффициент рудоносности,
представляющий собой отношение длины, площади или объема полезного ископаемого (руды) к соответствующему размеру продуктивной
зоны, который выражается в долях единицы и может быть линейным,
площадным или объемным. Величина минимального коэффицента рудоносности зависит главным образом от ценности руды.
Для месторождений неметаллических полезных ископаемых показатели кондиций весьма многообразны, поскольку они устанавливаются
в соответствии с областями использования сырья. Например, для месторождений асбеста к показателям кондиций принадлежит минимальное
промышленное содержание асбеста по каждому сорту (сортность определяется длиной и физико-механическими свойствами волокна), для месторождений оптического сырья и электроизоляторов (слюд) – минимальный размер бездефектных участков полезных минералов и минимальное промышленное содержание таких участков, для месторождений
блочного камня – минимальные размеры блоков, минимальный выход
кондиционных блоков, физико-механические свойства. На месторождениях подсобного металлургического сырья (флюсы и огнеупоры) кондиции учитывают требования к химическому составу и физико-механическим свойствам (истираемость, температура плавления и др.) и т. д.
Основными показателями кондиций угольных месторождений являются минимальная рабочая мощность пласта, максимальное содержание золы, а в отдельных участках - содержание серы, влаги (в рабочем
топливе), спекаемость и другие параметры, определяющие возможность
использования углей в различных отраслях промышленности.
289
12.3. Категории запасов и прогнозных ресурсов
твердых полезных ископаемых
Итогом геолого-промышленной оценки месторождений полезных ископаемых является подсчёт запасов и оценка прогнозных ресурсов полезных ископаемых и определение горно-геологических условий
горного строительства. Утверждённая в 1997 году новая классификация
запасов месторождений и прогнозных ресурсов твёрдых полезных ископаемых устанавливает единые для России принципы оценки прогнозных
ресурсов, подсчёта и государственного учёта запасов по степени изученности и народнохозяйственному значению, а также условия определения подготовленности месторождений для промышленного освоения.
Под запасами и прогнозными ресурсами понимается количество
полезного ископаемого и полезных компонентов в пределах месторождения (проявления) или его участка, определённое в недрах, т. е. без вычета потерь при добыче, транспортировке, обогащении и переработке.
Запасы строительных материалов подсчитываются (прогнозные ресурсы –
оцениваются) в объёмном выражении, других твёрдых полезных ископаемых – по массе.
По степени разведанности запасы твердых полезных ископаемых
подразделяют на категории А, В, С1 и C2 .
Прогнозные ресурсы по степени их обоснованности подразделяют
на категории Р1, Р2 и Р3 .
Запасы категории А выделяются на участках детализации разведуемых месторождений 1-й группы сложности и должны удовлетворять
следующим условиям:
– установлены размеры, форма и условия залегания тел полезного
ископаемого, изучены характер и закономерности изменчивости их
морфологии и внутреннего строения, выделены и оконтурены безрудные
и некондиционные участки внутри тел полезного ископаемого, при на290
личии разрывных нарушений установлены их положение и амплитуда
смещения;
– определены природные разновидности, выделены и оконтурены
промышленные (технологические) типы и сорта полезного ископаемого,
установлены их состав, свойства;
– изучены распределение и форма нахождения в минералах и продуктах переделов руд ценных и вредных компонентов, качество выделенных промышленных (технологических) типов и сортов полезного ископаемого охарактеризовано по всем предусмотренным промышленностью параметрам;
– контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии
с требованиями кондиций по скважинам и горным выработкам по результатам их детального опробования.
Запасы категории В выделяются на участках детализации разведуемых месторождений 1-й и 2-й групп и должны удовлетворять следующим основным требованиям:
– установлены размеры, основные особенности и изменчивость
формы, внутреннего строения и условия залегания тел полезного ископаемого, пространственное размещение внутренних безрудных и некондиционных участков; при наличии крупных разрывных нарушений установлены их положение и амплитуды смещения, охарактеризована
возможная степень развития малоамплитудных нарушений;
– определены природные разновидности, выделены и по возможности оконтурены промышленные (технологические) типы полезного ископаемого; при невозможности оконтуривания установлены закономерности пространственного распределения и количественного соотношения промышленных (технологических) типов и сортов полезного ископаемого;
– определены минеральные формы нахождения полезных и вредных
компонентов; качество выделенных промышленных (технологических)
291
типов и сортов полезного ископаемого охарактеризовано по всем предусмотренным кондициями показателям;
– контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии
с требованиями кондиций по результатам опробования скважин и горных выработок с включением в него ограниченной зоны экстраполяции,
обоснованной геологическими критериями, данными геофизических
и геохимических исследований.
Запасы категории C1 составляют основную часть запасов разведуемых месторождений 1-й, 2-й и 3-й групп, а также выделяются на участках детализации месторождений 4-й группы сложности и должны
удовлетворять следующим требованиям:
– выяснены размеры и характерные формы тел полезного ископаемого, основные особенности условий их залегания и внутреннего строения, оценены изменчивость и возможная прерывистость тел полезного
ископаемого, а для пластовых месторождений и месторождений строительного и облицовочного камня также наличие площадей развития
и малоамлитудных тектонических нарушений;
– определены природные разновидности и промышленные (технологические) типы полезного ископаемого, установлены общие закономерности их пространственного распространения и количественные соотношения промышленных (технологических) типов и сортов полезного
ископаемого, минеральные формы нахождения полезных и вредных
компонентов; качество выделенных промышленных (технологических)
типов и сортов охарактеризовано по всем предусмотренным кондициями
показателям;
– контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии
с требованиями кондиций по результатам опробования скважин и горных выработок, с учетом данных геофизических и геохимических исследований и геологически обоснованной экстраполяции.
292
Запасы категории С2 должны удовлетворять следующим условиям:
– размеры, форма, внутреннее строение тел полезного ископаемого
и условия их залегания оценены по геологическим и геофизическим
данным и подтверждены вскрытием полезного ископаемого ограниченным количеством скважин и горных выработок;
– контур запасов полезного ископаемого определен в соответствии
с требованиями кондиций на основании опробования ограниченного количества скважин, горных выработок, естественных обнажений или по
их совокупности, с учетом данных геофизических и геохимических исследований и геологических построений, а также путем геологически
обоснованной экстраполяции параметров, определенных при подсчете
запасов более высоких категорий.
Запасы комплексных руд и содержащихся в них компонентов подсчитываются по одним и тем же категориям. Запасы попутных компонентов, имеющих промышленное значение, подсчитываются в контурах
подсчета запасов основных компонентов и оцениваются по категориям
в соответствии со степенью их изученности, характером распределения
и формами нахождения.
На разрабатываемых месторождениях вскрытые, подготовленные
и готовые к выемке, а также находящиеся в охранных целиках горнокапитальных и горно-подготовительных выработок запасы полезных ископаемых подсчитываются отдельно с подразделением по группам и категориям в соответствии со степенью их геологической изученности.
При разделении запасов полезных ископаемых по категориям в качестве дополнительного классификационного показателя могут использоваться количественные и вероятные оценки точности и достоверности
определения основных подсчетных параметров.
Прогнозные ресурсы категории Р1 учитывают возможность выявления новых рудных тел полезного ископаемого на рудопроявлениях,
разведанных и разведуемых месторождениях. Для количественной оцен293
ки ресурсов этой категории используются геологически обоснованные
представления о размерах и условиях залегания известных тел.
Оценка ресурсов основывается на результатах геологических, геофизических и геохимических исследований площадей возможного нахождения полезного ископаемого, а также на материалах одиночных
структурных и поисковых скважин и геологической экстраполяции
структурных, литологических, стратиграфических и других особенностей, установленных на более изученной части месторождения и определяющих площади и глубину распространения полезного ископаемого,
представляющего промышленный интерес.
Прогнозные ресурсы категории Р2 учитывают возможность обнаружения в рудном бассейне, районе, поле, узле новых аналогичных известным здесь месторождений. Предполагаемое наличие новых месторождений основывается на положительной оценке обнаруженных при
крупномасштабном региональном геологическом изучении недр и поисковых работах проявлений, природа и возможная перспективность которых установлены единичными выработками. Количественная оценка ресурсов, представления о размерах предполагаемых месторождений, минеральном составе и качестве руд основываются на аналогах с известными месторождениями того же формационного (генетического) типа.
Прогнозные ресурсы оцениваются до глубин, доступных для эксплуатации при современном и возможном в ближайшей перспективе уровне
техники и технологии разработки месторождений. Возможное изменение параметров кондиций по сравнению с аналогичными известными
месторождениями должно иметь соответствующее обоснование.
Прогнозные ресурсы категории Р3 учитывают лишь потенциальную возможность открытия месторождений того или иного вида полезного ископаемого на основании благоприятных магматических, стратиграфических, литологических, тектонических и палеогеографических
предпосылок, выявленных в оцениваемом районе при средне- и мелкомасштабном региональном геологическом изучении недр, дешифровке
294
космических снимков, а также при анализе результатов геофизических
и геохимических исследований. Количественная оценка ресурсов этой
категории производится без привязки к конкретным объектам по предположительным параметрам на основе аналогии с более изученными
районами, площадями, бассейнами, где имеются разведанные месторождения того же генетического типа.
Количественная оценка прогнозных ресурсов производится комплексно. При этом используются требования к качеству и технологическим
свойствам полезных ископаемых аналогичных месторождений с учетом
возможных изменений этих требований в ближайшей перспективе.
12.4. Группы запасов твердых полезных ископаемых
по их экономическому значению
Запасы твердых полезных ископаемых и содержащихся в них полезных компонентов по их экономическому значению подразделяют на две
основные группы, подлежащие раздельному подсчету и учету, – балансовые (экономические) и забалансовые (потенциально экономические).
Балансовые (экономические) запасы подразделяют:
а) на запасы, извлечение которых на момент оценки согласно технико-экономическим расчетам экономически эффективно в условиях конкурентного рынка при использовании техники и технологии добычи
и переработки сырья, обеспечивающих соблюдение требований по рациональному использованию недр и охране окружающей среды;
б) запасы, извлечение которых на момент оценки не обеспечивает
экономически приемлемую эффективность в условиях конкурентного
рынка из-за низких технико-экономических показателей, но освоение
которых становится возможным при предоставлении недропользователю со стороны государства специальных льгот: налоговые льготы, субсидии и т. п. (ограниченно экономические запасы).
295
К забалансовым (потенциально экономическим) запасам относят:
а) запасы, отвечающие требованиям, предъявляемым к балансовым
запасам, но использование которых на момент оценки невозможно по горнотехническим, правовым, экологическим и другим обстоятельствам;
б) запасы, извлечение которых на момент оценки экономически
нецелесообразно вследствие низкого содержания полезного компонента,
малой мощности тел полезного ископаемого или особой сложности
условий разработки и переработки, но которые могут стать экономическими в ближайшем будущем в результате повышения цен на сырьевые
ресурсы, или при техническом прогрессе, обеспечивающем снижение
издержек производства.
Забалансовые запасы подсчитывают и учитывают в случае, если установлена возможность их сохранения в недрах для последующего извлечения или целесообразность попутного извлечения, складирования
и сохранения для использования в будущем.
При подсчете забалансовых запасов производится их подразделение
в зависимости от причин отнесения запасов к забалансовым (экономических, технологических, экологических и т. п.). Оценка балансовой принадлежности запасов полезных ископаемых производится на основании
специальных технико-экономических обоснований. В этих обоснованиях должны быть предусмотрены наиболее эффективные способы разработки месторождений, дана их стоимостная оценка и предложены параметры кондиций, обеспечивающие максимально полное и комплексное
использование запасов с учетом требований природоохранного законодательства.
296
12.5. Подготовленность месторождений
для промышленного освоения
Классификацией запасов месторождений и прогнозных ресурсов
твердых полезных ископаемых определены условия, при которых месторождение считается подготовленным для промышленного освоения.
Эти условия таковы:
1) запасы утверждены ГКЗ или ТКЗ (если месторождение новое);
2) вещественный состав и технологические свойства полезного ископаемого изучены с детальностью, достаточной для проектирования
технологической схемы извлечения полезных компонентов;
3) гидрогеологические и инженерно-геологические условия изучены
с детальностью, достаточной для составления проекта разработки месторождения;
4) участки, намеченные к первоочередному освоению, разведаны
наиболее детально;
5) изучены другие полезные ископаемые, залегающие в пределах
горного отвода (вскрышные породы, отходы), определены возможности
их использования и подсчитано количество;
6) оценена возможность хозяйственного и бытового водоснабжения;
7) разработаны мероприятия по охране окружающей среды и рациональному использованию недр;
8) утвержденные балансовые запасы должны иметь определенное
соотношение различных категорий, варьирующее для месторождений,
принадлежащих по сложности геологического строения к разным
группам.
Классификацией запасов все месторождения полезных ископаемых
объединены в четыре группы по сложности геологического строения
и изменчивости качества и условий залегания тел полезных ископаемых.
Такая группировка месторождений по сложности геологического
строения используется для целей разведки, обусловливает требования
297
к подсчету запасов месторождений и положена в основу специальных
инструкций ГКЗ по применению классификации запасов к месторождениям практически всех видов минерального сырья.
12.6. Группы месторождений
по сложности геологического строения
Необходимая и достаточная степень разведанности запасов твердых
полезных ископаемых определяется в зависимости от сложности геологического строения месторождений, которые подразделяются по данному признаку на следующие группы:
1-я группа. Месторождения (участки) простого геологического
строения, с крупными и весьма крупными, реже средними по размерам
телами полезных ископаемых с ненарушенным или слабонарушенным
залеганием, характеризующимися устойчивыми мощностью и внутренним строением, выдержанным качеством полезного ископаемого, равномерным распределением основных ценных компонентов.
Особенности строения месторождений (участков) определяют возможность в процессе разведки месторождения подсчета запасов по категориям А, В, С1, С2.
2-я группа. Месторождения (участки) сложного геологического
строения, с крупными и средними по размерам телами с нарушенным
залеганием, характеризующимися неустойчивыми мощностью и внутренним строением либо невыдержанным качеством полезного ископаемого и неравномерным распределением основных ценных компонентов.
Ко второй группе относятся также месторождения углей, ископаемых
солей и других полезных ископаемых простого геологического строения, но со сложными или очень сложными горногеологическими условиями разработки.
298
Особенности строения месторождений (участков) определяют возможность выявления в процессе разведки месторождения запасов категорий В, С1, С2.
3-я группа. Месторождения (участки) очень сложного геологического строения со средними и мелкими по размерам телами полезных ископаемых с интенсивно нарушенным залеганием, характеризующимися
очень изменчивыми мощностью и внутренним строением и очень неравномерным распределением основных ценных компонентов.
Запасы месторождений этой группы разведуются преимущественно
по категориям С1 и С2.
4-я группа. Месторождения (участки) с мелкими, реже средними по
размерам телами с чрезвычайно нарушенным залеганием либо характеризующимися резкой изменчивостью мощности и внутреннего строения,
крайне неравномерным качеством полезного ископаемого и прерывистым гнездовым распределением компонентов.
Запасы месторождений этой группы разведываются преимущественно по категории С2.
При отнесении месторождений к той или иной группе могут использоваться количественные показатели оценки изменчивости основных
свойств оруденения, характерные для каждого конкретного вида полезного ископаемого.
12.7. Группы месторождений по степени изученности
Месторождения полезных ископаемых по степени их изученности
подразделяют на разведанные и оцененные.
К разведанным относятся месторождения, запасы которых, их количество, качество, технологические свойства, гидрогеологические и горнотехнологические условия разработки изучены по скважинам и горным
выработкам с полнотой, достаточной для технико-экономического обоснования решения о порядке и условиях их вовлечения в промышленное
299
освоение, а также о проектировании строительства или реконструкции на
их базе горнодобывающего производства. Эти месторождения по степени
изученности должны удовлетворять следующим требованиям:
– степень изученности месторождения обеспечивает возможность
классификации запасов по категориям, соответствующим группе сложности его геологического строения;
– вещественный состав и технологические свойства промышленных
типов и сортов полезного ископаемого изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных для проектирования рациональной технологии их переработки с комплексным извлечением полезных компонентов, имеющих промышленное значение, и определения направления использования отходов производства или оптимального варианта их складирования или захоронения;
– запасы других совместно залегающих полезных ископаемых,
включая породы вскрыши и подземные воды, с содержащимися в них
компонентами, отнесенными на основании кондиций к балансовым,
изучены и оценены в степени, достаточной для определения их количества и возможных направлений использования;
– гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические,
горно-геологические и другие природные условия изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, необходимых для
составления проекта разработки месторождения с учетом требований
природоохранного законодательства и безопасности горных работ;
– достоверность данных о геологическом строении, условиях залегания и морфологии тел полезного ископаемого, качестве и количестве
запасов подтверждена на представительных для всего месторождения
участках детализации, размер и положение которых определяются в каждом конкретном случае в зависимости от геологических особенностей
полезного ископаемого;
– рассмотрено возможное влияние отработки запасов месторождения на окружающую среду и даны рекомендации по предотвращению
300
или снижению прогнозируемого уровня отрицательных экологических
последствий.
К оцененным относятся месторождения, запасы которых, их количество и качество, технологические свойства, гидрогеологические и горно-технические условия разработки изучены в степени, позволяющей на
основании укрупненных технико-экономических расчетов обосновать их
промышленное значение, целесообразность дальнейшей разведки и разработки.
Оцененные месторождения по степени изученности должны удовлетворять следующим требованиям:
– степень разведанности месторождения обеспечивает возможность
квалификации всех или большей его части по категории С2;
– вещественный состав и технологические свойства полезного ископаемого оценены с полнотой, необходимой для выбора принципиальной
технологической схемы переработки, обеспечивающей рациональное
и комплексное использование полезного ископаемого;
– гидрогеологические, инженерно-геологические, геокриологические, горногеологические и другие природные условия изучены с полнотой, позволяющей предварительно охарактеризовать их основные показатели;
– достоверность данных о геологическом строении, условиях залегания и морфологии тел полезного ископаемого подтверждена на участках детализации;
– рассмотрено и оценено возможное влияние отработки месторождения на окружающую среду.
Рациональное соотношение запасов различных категорий в разведанных и оцененных месторождениях, возможность полного или частичного использования запасов категории С2 при проектировании определяются недропользователем, исходя из конкретных геологических
особенностей месторождения, условий строительства и сроков ввода
горнодобывающих и перерабатывающих мощностей предприятий.
301
12.8. Методы подсчета запасов
Подсчетом запасов называется определение количества промышленно пригодного минерального сырья в недрах.
Известно свыше 20 методов подсчета запасов. В настоящее время
подсчет запасов осуществляют, как правило, следующими методами:
1) геологических блоков; 2) эксплуатационных блоков; 3) разрезов.
Метод геологических блоков – ведущий при подсчете запасов рудных и нерудных полезных ископаемых и почти единственный при подсчете запасов угля. В основу его положено выделение и оконтуривание
подсчетных блоков по степени изученности и близким значениям ведущих геолого-промышленных параметров (мощность, содержание, условия залегания). Этот метод позволяет с максимальной обоснованностью
для данной степени разведанности блока определить среднее значение
подсчетных параметров и надежные пределы их интерполяции и экстраполяции.
Метод эксплуатационных блоков применяют при подсчете запасов месторождений рудных и неметаллических полезных ископаемых,
разведанных горными выработками. Под эксплуатационными в данном
случае понимают блоки, оконтуренные горными выработками и, соответственно, детально опробованные. Подсчет запасов производят так же,
как и при методе геологических блоков, поэтому метод эксплуатационных блоков можно рассматривать как частный случай вышеуказанного
метода.
Метод разрезов применяют для подсчета запасов главным образом
месторождений сложной формы, разведанных системами выработок, на
основании которых можно построить геологические разрезы или погоризонтные планы. Особенность заключается в определении объема блоков: в отличие от других методов, он рассчитывается не по площади залежи и ее мощности, а по площади сечений залежи (вертикальных и горизонтальных) и расстоянию между сечениями.
302
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Каковы основные цели геолого-промышленной оценки месторождений
на стадии поисков?
2. Какие вопросы решаются на стадии детальной разведки месторождений?
3. Что такое кондиции и от каких факторов они зависят?
4. Перечислите общие условия, определяющие подготовленность месторождений для промышленного освоения?
5. Что такое запасы и прогнозные ресурсы?
6. На какие группы подразделяют запасы полезных ископаемых по их
экономическому значению? По каким причинам запасы могут быть отнесены
к группе забалансовых?
7. По какому принципу и на какие категории подразделяют запасы полезных ископаемых? Какие факторы и показатели необходимо и достаточно
изучить для отнесения запасов к той или иной категории?
8. Назовите и кратко охарактеризуйте три категории природных ресурсов.
303
Глава 13
ТЕХНОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ
13.1. Понятие техногенеза
Областью геологической деятельности человека является геологическая среда, под которой понимают реальное физическое пространство,
включающее верхнюю часть земной коры и частично взаимодействующие с ней внешние оболочки Земли.
Геологическая среда формируется в результате сложного взаимодействия внешних оболочек Земли, влияния на геологические процессы
многочисленных эндогенных и экзогенных агентов. Миллионы лет природное равновесие определялось только естественными факторами. Однако по мере развития общества и особенно в современных условиях
воздействие человека на природу усилилось. В условиях современной
научно-технической революции это искусственное вторжение человека
в окружающую среду приводит к заметным нарушениям природного
равновесия, а в ряде случаев вызывает последствия, которые могут приобретать планетарный характер.
Совокупность всех видов воздействия человеком на геологическую
среду называют техногенезом. Эти воздействия обусловлены инженерно-строительной, сельскохозяйственной, гидротехнической, горнотехнической и другими видами деятельности человека. Из всех типов
техногенеза горнотехнические работы имеют наибольшее значение, поскольку они затрагивают не только поверхность, но и глубокие недра
земной коры.
Всю область техногенного влияния человека на геологическую среду называют техносферой, или ноосферой (греч. «ноос» – разум), т. е.
областью разумного воздействия человека и его техники на геологическую среду. Техногенное воздействие всегда направлено на определенный участок земной коры и вызывает последствия, взаимообусловлен304
ные свойствами и процессами данной части геологической среды, с одной стороны, а также характером и интенсивностью взаимодействий –
с другой. Из геологических факторов, принимающих участие в техногенезе, наиболее существенными являются следующие: тектоническое
и геологическое строение района, геоморфологические и физико-географические особенности, гидрогеологические и инженерно-геологические
условия.
Последствия техногенного воздействия в первую очередь определяются приуроченностью территорий к структурным элементам земной
коры – платформенным и геосинклинальным областям. Различия обусловлены неодинаковым строением и составом верхней части литосферы; развитием складчатых и разрывных дислокаций, влияющих на устойчивость породных массивов, их проницаемость для вод и газов; тектонической активностью. Степень расчлененности рельефа, крутизна
склонов, физико-географическая зональность определяют направление
и интенсивность развития отдельных процессов техногенеза, степень
изменения геологической среды. Свойства горных пород, слагающих
геологический разрез, характеристики водоносных горизонтов и комплексов, соотношение в разрезе водоносных и водоупорных пород, состав и режим движения подземных вод – этим факторам принадлежит
важная роль в развитии техногенеза.
Последствия техногенного воздействия на геологическую среду
подразделяют на минерагенические, геохимические, геофизические,
геодинамические, геоморфологические, гидрогеологические и инженерно-геологические.
Минерагенические и геохимические последствия обусловлены возрастающими масштабами перераспределения вещества земной коры
в процессе горных, строительных и гидротехнических работ. Минерагенические последствия проявляются в истощении минеральных ресурсов
и вызывают изменение технологических условий разработки месторождений. Геохимические последствия техногенеза состоят в нарушении
305
и преобразовании химического баланса веществ в геологической среде,
изменении природного экологического равновесия в граничном слое литосфера – атмосфера – гидросфера.
Геофизические последствия выражаются в проявлении в верхней
части земной коры искусственных физических полей (блуждающих токов, сейсмических и звуковых волн и др.), которые воздействуют на вещество литосферы, усиливают коррозию металлов, повышают агрессивность воды и т. д.
Геотермические последствия техногенеза проявляются в изменении теплового режима поверхности литосферы, водно-теплового режима водотоков и водоемов. Они особенно ощутимы в районах развития
многолетней мерзлоты.
Геодинамические последствия техногенеза состоят в нарушении
геостатического поля в связи с проходкой горных выработок, перераспределением больших объемов воды на поверхности, извлечением из
недр значительных масс горных пород и полезных ископаемых, в том
числе нефти, газа и подземных вод.
Геоморфологические последствия выражаются в создании техногенного рельефа и изменении первичного рельефа территорий вследствие нарушения равновесия между аккумулятивными и денудационными
процессами.
Гидрогеологические последствия техногенеза возникают при прямом
или косвенном воздействии на водоносные горизонты. Они проявляются
в изменении ресурсов, уровней, режима и качества подземных вод.
Инженерно-геологические последствия выражаются в активизации
оползневых, осыпных и суффозных процессов, а также в проявлении
других экзогенных процессов, которые могут быть не свойственны конкретной физико-географической или геологической обстановке.
Техногенез не только изменяет свойства и структуру геологических
объектов, но и создает новые техногенные объекты. Экзогенный техногенез активно влияет на процессы и результаты внешней геодинамики,
306
особенно на процессы выветривания, денудационную и аккумулятивную
работу поверхностных и подземных текучих вод, деятельность моря,
озер и болот, ветра, существенно отражается на процессах диагенеза.
Вместе с тем техногенез вызывает процессы, которые напоминают некоторые природные явления внутренней геодинамики (колебательные
и дислокационные движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм,
изменения физических полей).
13.2. Техногенные изменения внешних геосфер
Изменения атмосферы. Первичная атмосфера Земли была восстановительной и состояла в основном из метана, аммиака, водяных паров.
С появлением растительности реакции фотосинтеза изменили состав атмосферного воздуха на азотно-кислородный, и атмосфера стала окислительной. Под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности газовое
равновесие стало нарушаться. Примерно за 100 последних лет концентрация углекислого газа повысилась с 0,027 до 0, 0325 %, а в XXI в. может возрасти до 0, 038 %, если выделение его в атмосферу сохранится на
прежнем уровне. В значительных объемах поступают в атмосферу соединения серы. Главными источниками их являются энергетика, цветная
и черная металлургия.
Изменение газового состава атмосферы, особенно обогащение углекислым газом, по мнению многих ученых, может вызвать глобальные
изменения климата. По данным Института космических исследований
NASA, за первые два года XXI века объем солнечного света, достигающего Земли, снизился на 20 %: частицы грязи, копоть, химические соединения, скопившиеся в атмосфере, преломляют лучи Солнца и не позволяют свету в максимальном объеме освещать поверхность нашей
планеты.
Запыление обусловливает повышенную способность отражать солнечные лучи, вызывает развитие облачного покрова, увеличивает ско307
рость таяния горных ледников и снегов в связи с их загрязнением оседающей пылью. Кроме того, запыление задерживает встречное тепловое
отражение Земли, и обусловленный этим парниковый эффект увеличивает температуру воздуха на планете.
Нельзя не сказать и о тепловом загрязнении атмосферы. Большая
часть вырабатываемой энергии выделяется в атмосферу в виде тепла.
Вследствие значительного превышения потребляемой энергии над солнечной радиацией разница температур в городах и их окрестностях может превышать 1-2 °С, а в отдельных случаях даже 10 °С.
Изменения гидросферы. Прямые и косвенные воздействия человека
на водную оболочку, изменяющие ее количественно и качественно, существенно меняют водный режим планеты и геологическую роль гидросферы. Выделяют следующие виды загрязнения вод: бытовое, агрохимическое и промышленное. Четкую границу между этими видами провести трудно.
Бытовое загрязнение вод обусловлено синтетическими моющими
средствами, которые характеризуются химической сложностью и стойкостью. Загрязнение вод органическими разлагающимися веществами
приводит к истощению запасов растворённого в воде кислорода.
Агрохимическое загрязнение вод обусловлено постоянно возрастающим использованием в сельском хозяйстве удобрений и ядохимикатов, которые вымываются атмосферными осадками при просачивании
через почвенно-растительный слой и выносятся в подземные и поверхностные воды. Это приводит к резкому повышению концентраций в воде ряда веществ, особенно нитратов, и делает в ряде случаев непригодными для питья подземные воды.
Снос агрохимических продуктов в непроточные водоемы приводит
к их эвтрофикации, т. е. к увеличению концентраций питательных солей
(преимущественно фосфатов) в воде и зарастанию водорослями, планктоном и др. Эвтрофикация обусловливает ухудшение качества воды, деградацию и гибель флоры и фауны, а сами озера постепенно «умирают».
308
Промышленное загрязнение обусловлено стоками предприятий и в
настоящее время приобретает планетарный характер. В отходах производства, сбрасываемых в водотоки и водоемы, содержится большое количество вредных и токсичных веществ, которые, как правило, являются
труднорастворимыми и неразлагающимися.
Особое место среди этих загрязнителей занимают нефтепродукты и
радиоактивные отходы. Одна капля нефти образует на поверхности воды пятно диаметром 0,3 м. Тончайшая пленка нефти изолирует воду от
атмосферного воздуха, меняет режимы углеродно-кислородного обмена,
снижает испарение, нарушает экологическое равновесие. Ежегодно
в океан поступает более 6 млн т нефтепродуктов. Это загрязнение приобретает глобальный характер. Вызывает тревогу рост концентрации
в отдельных районах радиоактивных частиц, что обусловлено захоронением в океане радиоактивных отходов.
Глобальный характер приобретает загрязнение Мирового океана.
Подсчитано, что в океаны ежегодно поступает не менее 25 млн т железа,
около 400 тыс. т цинка, меди и марганца, более 180 тыс. т свинца и фосфора, до 3 тыс. т ртути. Толща океанических вод служит гигантским
фильтром, поскольку в них разлагаются, растворяются и оседают на дно
органические и минеральные вещества, приносимые с континентов. Однако в последнее время в связи с резким возрастанием масштабов техногенного загрязнения экологическое равновесие между процессами загрязнения и самоочищения вод нарушается. При отсутствии эффективных мер по предупреждению чрезмерного загрязнения нарушение равновесия может стать необратимым.
Подземная гидросфера обеспечивает около 25 % общего водопотребления (питьевого, хозяйственного, технического и др.). Поэтому изменение состава вод вследствие техногенеза непосредственно отражается на условиях водоснабжения. Химический состав подземных вод изменяется под влиянием загрязнения атмосферы, поверхностных водоемов, снежного покрова, поверхности Земли (при накоплении отходов,
309
внесении удобрений и ядохимикатов), неправильного режима орошения,
сброса промышленных и бытовых стоков, подземного захоронения отходов производства (в том числе и радиоактивных), утечки канализации,
нефтепроводов и др.
Наиболее подвержены изменениям под действием техногенеза приповерхностные водоносные горизонты на территории промышленных
городов, промышленных (в том числе горнорудных) предприятий, агрокомплексов. Загрязнение подземных вод сокращает водные ресурсы, необходимые человеку. С изменением химического состава подземной
гидросферы связано развитие таких геологических процессов, как засоление и цементация грунтов, химическая суффозия, карстообразование,
разуплотнение глинистых пород и др.
Помимо химического и биологического загрязнения важным следствием техногенного воздействия на гидросферу является нагрев поверхностных и подземных вод, что обусловлено постоянно повышенной
температурой стоков. Основными источниками термального стока являются металлургия и энергетика, особенно атомная. Температуру вод
(главным образом подземных) повышает также деятельность городов.
Нагрев поверхностных и подземных вод в итоге под действием разных
причин может достигать 10-15 °С и более. Полагают, что уже в ближайшем будущем нагрев распространится и на прибрежно-морские воды
океанов.
Опасными последствиями воздействия техногенеза на гидросферу
являются изменение уровня поверхностных и подземных вод. За последние десятилетия резко изменен режим рек, водохранилища сглаживают сезонные колебания уровней и расхода воды, уменьшают скорости
течения. Тысячи мелких рек под влиянием деятельности предприятий
и населенных пунктов в связи с интенсивным забором и загрязнением
воды мелеют, пересыхают, а нередко полностью исчезают.
Понижения уровня грунтовых вод (так называемые депрессионные
воронки) возникают в связи с длительной эксплуатацией подземных вод
310
в городах и промышленных центрах. Их диаметр может достигать десятков и сотен километров, а глубина – десятков и сотен метров. Еще
большие по размерам депрессионные воронки возникают в районе
добычи полезных ископаемых в связи с откачкой воды при открытой
и подземной разработках.
Обратное явление – повышение уровня подземных вод – обусловлено созданием хранилищ, каналов, прудов, магазинированием подземных
вод, заводнением нефтяных месторождений, утечкой воды из резервуаров, водопроводной и канализационной сетей, снегозадержанием, орошением полей и др. Обычно величина повышения колеблется в пределах
0,5-100 м, но редко превышает 10-15 м. Максимальные повышения
уровня (60-100 м) связаны с горными водохранилищами.
13.3. Техногенные изменения земной коры
Состав земной коры наиболее интенсивно меняется в приповерхностной части в связи с постоянно возрастающим уровнем добычи и использования минерального сырья. При существующей технологии добычи теряется почти половина металлов и одна треть химического сырья.
В результате ведения горных работ количество многих химических
элементов в земной коре сокращается. Так, к настоящему времени из
недр извлечено и вынесено на поверхность искусственно более 100 млн
т меди, свинца, цинка, олова и алюминия.
Из всей массы добытых полезных ископаемых подавляющая часть
извлечена из недр за последние 40 лет: нефти – 75 %, угля – 40 %, железа – 50 % и горючих газов – 90 %. Добыча и вынос на поверхность химических элементов будут быстро расти и дальше.
Хозяйственная деятельность человека нередко противоположна направлению развития природных процессов. При использовании минерального топлива человек распыляет углерод в земной коре. Минераль311
ные удобрения целенаправленно рассеивают на обширных площадях.
Рассеиваются, но все же сохраняются в земной коре многие металлы.
Перераспределение веществ в земной коре не только изменяет ее
состав, но и нарушает естественные процессы миграции химических
элементов в природе; последствия этого пока трудно оценить.
Инженерно-строительная деятельность создает дополнительную нагрузку на толщи пород и вызывает, как правило, ограниченные нарушения. Основными результатами строительных работ следует считать сжатие и уплотнение пород под отдельными зданиями и населенными пунктами в целом. В настоящее время через каждые 15 лет площадь Земли,
выделяемая под застройки, удваивается. К 1980 г. территория, занятая
всеми инженерными сооружениями, составила около 5 %, а к 2000 г. она
достигла 15 % суши.
Наиболее значительные нарушения в строении земных масс возникают при гидротехническом строительстве, здесь природное равновесие
может изменяться в связи с превышением критического предела напряженного состояния пород. Тектонические нарушения могут быть также
результатом резкого изменения свойств горных пород, обусловленных,
например, их влагонасыщением при изменении условий естественной
фильтрации. Широко известны случаи катастрофических разрушений
таких гидротехнических сооружений, как плотина Бузей во Франции
(1895 г.), плотина Аустин (1890 г.) и Сан-Френсис (1928 г.) в США и др.
Горно-техническая деятельность затрагивает непосредственно недра,
поэтому и последствия ее обычно более существенны. Горностроительные
и добычные работы нарушают массивы горных пород, создают значительные полости и пустоты, которые по масштабам превосходят природные
образования – подземные карстовые пещеры. При добыче полезных ископаемых человек проникает в земную кору на большие глубины. Например,
выработки рудника «Колар» в Индии достигли глубины 3800 м; разработка золото-урановых руд в ЮАР ведется на глубине около 4 км. На еще
большие глубины проникли буровые скважины на нефть.
312
Проходка подземных горных выработок, извлечение твердых полезных ископаемых и сопутствующей горной массы, нефти, газа, подземных вод вызывают нарушение геостатического поля и обусловливают появление геодинамических последствий техногенеза, нарушения
строения верхней части литосферы. При обрушении поверхности над
горными выработками образуются провалы и воронки, которые могут
достигать глубины несколько десятков метров. Локальные провалы поверхности наблюдаются во многих районах добычи руд и угля подземным способом. Можно ожидать, что подобные явления получат еще более широкое развитие в связи с применением при подземной разработке
высокопроизводительных систем с обрушением руды и вмещающих пород (без поддержания выработанного пространства).
Региональные обширные опускания территории (до 5-10 м) возникают в результате снижения пластовых давлений в связи с откачкой из
недр флюидов и газов. Иногда подобные опускания могут иметь катастрофические последствия.
В специальной литературе описаны многочисленные случаи изменения строения литосферы, возникающие в результате проседания поверхности при снижении пластового давления. Обширные проседания
(несколько десятков квадратных километров) и с амплитудой около 1 м
отмечены, например, на территории нефтедобычи в штате Техас (США).
Прогибание поверхности в районе нефтяной структуры Уилмингтон
(США, штат Калифорния) достигало 8 м и привело к катастрофическим
разрушениям зданий, мостов, дорог, промышленных предприятий
(1957 г.). Откачка подземных вод в г. Мехико привела к оседанию городской поверхности почти на 9 м. По той же причине территория Токио примерно за полстолетия опустилась на 3,5 м.
Рельеф земной поверхности меняется при строительстве городов,
дорог, гидротехнических, энергетических и других сооружений. Но
больше всего способствует увеличению контрастности отметок поверхности горнодобывающая промышленность, поскольку в этом случае
313
создаются как положительные, так и отрицательные формы рельефа. Более значительны по глубине и площади углубления, образованные при
открытом (карьерном) способе добычи полезных ископаемых. Глубина
карьеров достигает сейчас 300-800 м, проектируются карьеры глубиной
до 1000 м и протяженностью карьерных полей 2-5 км.
Как и в природном седиментогенезе, в техногенном выделяют те же
стадии денудации и аккумуляции вещества. Отрицательные формы
рельефа обусловлены техногенной денудацией – перемещением и сносом горной массы. Положительные формы создаются благодаря техногенной аккумуляции (отвалы пород, терриконы, дамбы, хвостохранилища, шламонакопители и т. д.).
Инженерно-строительная деятельность преследует цель снивелировать земную поверхность. Во многих случаях понижают отметки рельефа: срезают горы, холмы, террасовые уступы, дюны, барханы, бугры
и другие положительные формы рельефа. Величина среза может достигать 50 м и более, а масштабы этих работ, особенно в районах с горным
и предгорным рельефом, весьма значительны.
Таким образом, общими закономерностями техногенного преобразования рельефа являются: тенденция к нивелированию рельефа; постепенное исчезновение естественного микрорельефа; развитие положительных и отрицательных форм микрорельефа с преобладанием тенденции повышения отметок над понижением за счет извлечения горной
массы из недр и складирования отходов производства на поверхности.
Техногенная деятельность человечества развивается на протяжении
ничтожного мига геологической истории, подобно мгновенной вспышке, катастрофическому взрыву, всплеску стихии, но по своей силе и последствиям сопоставимому с разрядкой таких мощных геологических
стихий, как падение метеоритов, вулканические извержения, землетрясения. Человеческая деятельность сама становится геологической стихией. Эта стихия накопила в своем распоряжении столь значительные ре314
сурсы энергии, что их неосмотрительное расходование может привести
к возникновению непредвиденных процессов в развитии Земли.
Природные геологические процессы под влиянием деятельности человека изменяются количественно и качественно: усиливаются, ослабляются, а иногда прекращаются, перестают быть полностью естественными и приобретают черты и направленность техногенных проявлений.
В наибольшей степени изменяются под влиянием техногенеза геологические процессы, связанные с деятельностью атмосферы, поверхностных и подземных вод. Меньшее влияние оказывает техногенез на процессы внутренней геодинамики.
13.4. Рациональное использование и охрана
минеральных ресурсов
В современных условиях вопросы взаимодействия общества и природы, охраны и улучшения природной среды выдвигаются в число первостепенных научных проблем. Известно то огромное влияние, которое
уделяется охране природы. Приняты постановления, направленные на
улучшение охраны и рациональное использование природных ресурсов.
Этого требовал современный этап развития хозяйства. Почти все материальные ценности – результат добычи и переработки полезных ископаемых. Из недр мы получаем сырье для металлургической и химической промышленности, удобрения для сельского хозяйства, строительные материалы. Однако недра Земли не неисчерпаемы. Необходимо четко представлять себе, какое сырье, сколько и как надо добывать, чтобы
использовать богатства недр как можно рациональнее. Существующие
и разрабатываемые правовые нормы об охране недр направлены на предотвращение и пресечение случаев бесхозяйственного использования
полезных ископаемых.
Охрана недр понимается прежде всего как обеспечение их бережного использования. В условиях резкого увеличения масштабов
315
производства и роста народонаселения повышается потребление природных ресурсов, возникает необходимость более эффективного использования извлеченного природного сырья. Особое внимание в законодательных постановлениях уделено обеспечению безопасности горных работ, государственному надзору и контролю за использованием и охраной недр.
Все это – важнейшая гарантия и стимул в деле рационального использования и охраны недр. Богатство недр – это часть природных богатств
страны. И нужно их использовать эффективно, разумно и с перспективой
на будущее. Необходимо более комплексно осваивать месторождения полезных ископаемых, не допуская потерь при добыче и переработке.
Один из наиболее реальных путей рационального использования
минерально-сырьевых ресурсов – комплексный подход к извлечению
и переработке сырья, обеспечивающий наиболее полное и экономически целесообразное использование запасов основных и залегающих совместно с ними попутных полезных ископаемых, утилизацию отходов
добычных работ, а также вторичное использование месторождений
и других ресурсов. Единые правила охраны недр при разработке месторождений твердых полезных ископаемых содержат комплекс требований по рациональному использованию недр и их охране на всех технологических этапах разработки, включая проектирование, строительство и ввод в эксплуатацию предприятий по добыче полезных ископаемых, геологическое и маркшейдерское обеспечение горных работ, подготовку добытого полезного ископаемого к отгрузке и переработке, ликвидацию и консервацию предприятий.
Место расположения горнодобывающего предприятия выбирается
в соответствии с Основами законодательства о недрах, земельным, водным и другими законодательствами Российской Федерации и ее субъектов. Принимаемые в проекте предприятия схемы вскрытия месторождений, способы и системы разработки должны быть обоснованы техникоэкономическими расчетами, обеспечивающими оптимальную полноту
316
и качество извлечения запасов полезных ископаемых из недр с учетом
требований по охране окружающей природной среды.
Проекты предприятий на месторождениях, залегающих в сложных
горногеологических условиях, должны содержать специальный раздел,
предусматривающий мероприятия по снижению вредного влияния осложняющих природных факторов на рациональное, комплексное использование недр и одновременно по обеспечению безопасного ведения
горных работ, охране недр и окружающей среды.
Вскрытие и подготовка месторождения к выемке полезного ископаемого должны производиться в соответствии с проектом предприятия.
При открытой разработке месторождения необходимо обеспечить отделение вскрышных (пустых) пород от полезного ископаемого с минимальными потерями и разубоживанием. При выявлении факторов, отрицательно влияющих на устойчивость горных выработок, представляющих опасность для жизни и здоровья людей, занятых на горных работах,
последние должны быть приостановлены до выполнения мероприятий
по обеспечению безопасного ведения работ и охране недр.
После завершения добычных работ составляется акт, в котором
приводят исходные балансовые и забалансовые запасы отработанной
части недр, количество погашенных запасов и добытых полезных ископаемых, нормативные и фактические значения потерь и разубоживания,
а также другие показатели, характеризующие полноту, качество извлечения полезных ископаемых и компонентов из недр, состояние горных
выработок.
Ликвидация и консервация предприятия осуществляются по специальным проектам, согласованным с органами Госгортехнадзора, другими
заинтересованными органами и утвержденным в установленном порядке.
Быстрый рост объема добычи полезных ископаемых, особенно
с помощью открытых разработок, приводит ежегодно к изъятию из хозяйственного оборота десятков тысяч гектаров земель. Поэтому восста317
новление поверхности литосферы – одна из наиболее актуальных задач
охраны окружающей среды.
Рекультивация предусматривает создание оптимальных условий
для жизнедеятельности биогеоценоза и придание наилучших форм использования того или иного затронутого техногенным процессом участка земной поверхности.
Различают три основные стадии рекультивации – горнотехническую, биологическую и строительную.
Горнотехническая рекультивация – предварительная подготовка
нарушенных территорий для целевого использования. Сюда входят работы по планировке поверхности, покрытию ее слоем почвы, проведению необходимых мелиоративных мероприятий (дренаж, известкование
кислых грунтов и т. д.), а также подготовка участков для освоения (проведение дорог, создание водоемов) и предупредительные инженерногеологические работы (противооползневые и противоосадочные).
Биологическая рекультивация, следующая за горнотехнической,
входит прежде всего в круг деятельности агротехников, ботаников
и биологов. Их задача состоит в создании на ранее нарушенных участках пастбищ, пашен, садов, лесов, рыболовных водоемов.
Строительная рекультивация производится на разрушенных территориях для создания промышленных и жилых районов, зон отдыха.
Такие мероприятия входят в функции строительных организаций. Безусловно, капитальное строительство экономически целесообразно размещать именно на непригодных для сельского хозяйства площадях.
Таким образом, главные требования к осуществлению охраны недр
предусматривают: обеспечение полного и одновременно комплексного
геологического изучения недр; полное извлечение и рациональное использование основных и сопутствующих полезных ископаемых; исключение вредного влияния работ, выполняемых при изучении и разработке
недр, на сохранность запасов полезных ископаемых или ухудшение их
качества.
318
В нашей стране разрабатывается долгосрочная комплексная научнопроизводственная программа «Литомониторинг», цель которой – контроль, оценка состояния и прогнозов изменения геологических, гидрои инженерно-геологических условий под влиянием техногенного фактора, к которому прежде всего относится горное производство.
Литомониторинг предусматривает создание сети наблюдательных
пунктов и экспериментальных полигонов по изучению поверхностных
изменений земной коры. Наблюдения за недрами Земли в настоящее
время невозможны без использования дистанционных методов (с самолетов и космических аппаратов). Применение их позволяет воссоздать
наиболее широкую картину состояния литосферы в данный момент.
Крупные горнодобывающие комплексы и зоны их сильного влияния на
окружающую среду на аэрокосмических снимках имеют более светлый
фон и цвет за счет отличия отражательных и излучательных свойств остального ландшафта. Карьеры, отвалы и подъездные пути отчетливо
проступают на снимках, отснятых весной, когда начинает сходить снежный покров. Поскольку наличие рудника влияет на режим поверхностных и подземных вод и связано с развитием растительного покрова, любые изменения четко определяются при дистанционной съемке.
Литомониторинг подразумевает непрерывный контроль за изменениями в техногенном и природном ландшафтах и направлен на решение
насущных задач рационального природопользования.
В 1994 г. принято Положение об оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) в Российской Федерации. ОВОС является обязательным элементом процесса планирования всех видов хозяйственной
или иной деятельности, осуществление которых в настоящем или в будущем прямо или косвенно окажет воздействие на состояние природных
ресурсов, здоровье и благосостояние населения.
В перечень видов и объектов хозяйственной или иной деятельности,
при подготовке обосновывающей документации на которую ОВОС проводится в обязательном порядке, входят все лицензируемые виды геоло319
гических изысканий. Недропользователь проводит ОВОС в соответствии с Законом РФ «Об охране окружающей природной среды» и несет
ответственность за невыполнение правил проведения ОВОС, нарушение
процедуры оценки воздействия на окружающую среду, предоставление
неполных результатов проведения ОВОС или недостоверной информации о них.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Что такое техногенез?
2. Какие воздействия на геологическую среду проявляются при техногенезе?
3. В чем проявляются техногенные изменения внешних геосфер?
4. В чем проявляются техногенные изменения земной коры?
5. Какие меры могут способствовать рациональному использованию
минеральных ресурсов?
320
Глава 14
УРАЛЬСКИЙ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ МУЗЕЙ
14.1. История создания музея
Замечательное создание уральских геологов – Уральский геологический музей – открыт в августе 1937 г. Музей является региональным.
Это уральский музей, и в нем представлены каменные документы исключительно уральского происхождения. Сейчас его коллекция насчитывает более 100 тыс. экспонатов, отражающих минеральные богатства
и геологию Урала. Лучшее, что создала природа Урала за многие десятилетия, сосредоточено в этих коллекциях.
Созданию музея предшествовало важное событие: в 1937 г. в Москве должна была состояться XVII сессия Международного геологического конгресса, посвященная геологическим проблемам азиатского континента. Поэтому, естественно, в программу сессии включили посещение
ее участниками Урала для знакомства с его геологией и разнообразными
естественными богатствами. Чтобы должным образом принять гостей,
Свердловский областной совет 21 июля 1936 г. создал специальный
совет, в который вошли директор Уральского горного института
И. П. Скороделов, ректор Уральского университета З. Ф. Торбакова,
профессора Горного института Л. Д. Шевяков, К. К. Матвеев и др.
Управляющим крупными горнорудными предприятиями, такими как
«Уралмедруда», «Востокруда», «Уралзолото», «Союзасбест», предписывалось оказывать ему содействие. Руководство всей подготовительной
работой поручили директору Дома техники Ф. П. Барсукову.
Спустя три месяца из Народного комиссариата пришло распоряжение «...в целях демонстрации минерально-сырьевых богатств и достижений за 20 лет Советской власти в области разведки, добычи полезных
ископаемых и геологического изучения Урала...» организовать при Доме
техники Общеуральскую геологическую выставку. Для методического
321
и научного руководства и решения практических вопросов был создан
Совет геологической выставки под председательством Б. В. Дидковского. Членами Совета стали главный инженер Уральского геологического
треста Г. Я. Житомиров и инженер треста «Уралзолото» А. А. Иванов.
Тон задавали сотрудники Горного института, обладавшие необходимыми знаниями и опытом. Они же были руководителями и активными исполнителями отделов выставки: физической географии – Ф. Ф. Павлов
и Д. Н. Оглоблин, общей геологии – Б. М. Романов, О. Ф. Нейман,
В. М. Матвеев, минералогии и геохимии – К. К. Матвеев, Г. Н. Вертушков, А. И. Игумнов, Г. Г. Китаев, полезных ископаемых – Н. А. Ушаков,
К. Е. Кожевников, Г. Я. Житомиров, гидрогеологии и инженерной
геологии – М. О. Клер, истории геологических исследований Урала –
Б. В. Дидковский. Над оформлением и комплектованием коллекций трудились Г. Н. Вертушков, Д. С. Штейнберг, А. Н. Ходалевич, А. А. Иванов, А. И. Иванов, Г. М. Мазаев, Ф. И. Руковишников, А. П. Сигов,
И. Д. Соболев, П. И. Аладинский, О. Н. Щеглова-Бородина, Е. И. Мягков. В качестве консультантов работали крупнейшие геологи – знатоки
Урала А. Е. Ферсман, Д. В. Наливкин, А. Н. Заварицкий, И. И. Горский,
В. А. Варсанофьева, Е. А. Кузнецов и др.
Ровно через год, 21 июля 1937 г., состоялось последнее заседание
Совета. Новый директор Дома техники П. Н. Грамолин сообщил, что
выставка-музей «Горные богатства Урала и достижения геологии за 20
лет» готова принять посетителей. 1 августа по залам прошла смотровая
комиссия во главе с управляющим Уралгеотреста В. А. Кандыбой.
С первого дня своего существования Уральская выставка становится
всемирно известной. Ее первыми посетителями были участники XVII
Международного геологического конгресса: геологи Франции, Англии,
Испании, США, Китая, Германии. «И много шедевров, с наукой созвучных, – так писал А. П. Сигов, – увидели они в витринах».
322
Иностранные и отечественные специалисты оставили восторженные
отзывы. «Выставка является памятником способностям уральских геологов», – отмечал крупнейший вулканолог Д. Тиррель.
10 января 1938 г. приказом Наркомтяжпрома выставка передана
Горному институту. После 1938 г. начался новый этап в развитии музея,
и не все его первоначально созданные отделы имели одинаковую судьбу. В настоящее время экспозиция музея подразделяется на четыре отдела: минералогии, петрографии, полезных ископаемых и общей и исторической геологии.
И уже более 70 лет Уральский геологический музей служит основной лабораторной базой Уральского государственного горного университета (УГИ, СГИ, УГИ, УГГГА, УГИ, УГГУ) в деле подготовки высоко-квалифицированных кадров геологов и горняков.
14.2. Отдел общей и исторической геологии
Коллекции этого отдела отражают сложную геологическую историю Урала, наиболее плодотворный способ познания которой - изучение
стратиграфии и органических остатков. Палеонтологические коллекции
внешне не столь привлекательны, как минералогические, однако хранимые в этом отделе монографические коллекции ископаемых организмов
и растений представляют научный материал исключительной ценности.
В этих коллекциях нашла отражение сложная история геологического
развития Урала с древнейших времен. В собраниях отдела, по совету
М. О. Клера, представлены многочисленные голотипы фауны Урала.
Поскольку, по мнению академика В. Л. Барсукова, «наиболее важные
особенности строения и состава оболочек Земли заложены еще в догеологический и раннегеологический периоды... и определили всю ее дальнейшую эволюцию», то экспозиция отдела начинается с наиболее
древних образований, с образцов отложений докембрия из коллекции
М. И. Гараня – возраст их более 2 млрд лет. В древнейших образованиях
323
Урала М. И. Гарань открыл уникальное Саткинское месторождение магнезита, которое вот уже на протяжении нескольких десятков лет обеспечивает нашу промышленность ценным огнеупорным сырьем.
Отложения нижнего и верхнего ордовика западного склона Урала
охарактеризованы коллекцией брахиопод и головоногих моллюсков,
созданной А. И. Ивановым и Е. И. Мягковой. Превосходные образцы
брахиопод и гониатит найдены А. Н. Ходалевичем и А. К. Наливкиной
в осадочных породах силура и девона. Одна из витрин украшена самыми
крупными головоногими - аммонитами. Они были найдены И. А. Сиреным на р. Талье. Влажный субтропический климат каменноугольного
времени оставил память о себе окаменевшими стволами гигантского
плауна. Богатое собрание гониатит пермского возраста – коллекция
В. Е. Руженцева. Фауна осадочных образований Уфимского амфитеатра
представлена коллекцией О. Ф. Нейман и В. П. Пермякова. Третичные
и четвертичные отложения восточного склона Урала местами изобилуют
зубами акул. Много их в свое время собрано Е. Е. Поповым и студентом
Г. Н. Папуловым – в последующем доктором геолого-минералогических
наук, заслуженным деятелем науки и техники России. В отделе хранятся
и редчайшие экспонаты. Весной 1898 г. А. Г. Бессонов, инспектор народных училищ, в каменоломне вблизи Красноуфимска нашел странно
изогнутые камни, напоминающие обломок дисковой пилы. А. П. Карпинский, к которому обратился А. Г. Бессонов, установил, что загадочная находка представляет собой зубной аппарат крупной акулы – геликоприона из рода селахиевых рыб. Он выделил два новых вида. Один
назвал по имени А. Г. Бессонова, второй – по имени президента УОЛЕ
О. Е. Клера. В отделе хранится один экземпляр зубного аппарата геликоприона, названного по имени А. Г. Бессонова, он лучший по сохранности из имеющихся в музеях СНГ. Этот бесценный экспонат передан
в музей геологом Уралгеомина Г. Г. Мауэром.
Коллекции отдела, хотя и медленно, но пополняются. Из последних
поступлений надо отметить интересные образцы ископаемой фауны,
324
найденные Ф. Ф. Борисковым в колчеданных рудах южноуральских месторождений, и коллекции В. П. Сапельникова, крупного специалиста
по брахиоподам. Посетители четвертого этажа музея шаг за шагом могут
проследить удивительную историю геологического развития Уральского
региона.
14.3. Отдел полезных ископаемых
«Нельзя изучить и понять организм, нельзя познать его форму
и жизнедеятельность, не изучая и не зная среды жизни», – эту мысль
В. И. Вернадского в полной мере можно отнести и к минералам: нельзя
познать минерал, не зная геологической среды, в которой он вырос.
Уральские ученые, создавшие геологический музей, прекрасно понимали, что минералы – это достоверные документы, фиксирующие процессы рудообразования. Показать это должен, по их мнению, отдел «Полезные ископаемые». Так что граница между отделами минералогии и полезных ископаемых до некоторой степени условна.
В литературе можно встретить: Урал – железный, Урал – медный,
но он был и Уралом золота, платины, драгоценных камней. Наконец,
Урал – кварцевый, так как кварц – один из самых распространенных
и экономически исключительно важный минерал. В отличие от других
отделов музея, отдел полезных ископаемых был создан на «чистом»
месте. К открытию выставки с различных месторождений Урала поступило около 3 тысяч образцов, почти 2 тысячи их них были помещены
в витрины. Вся гигантская работа по оформлению экспозиции легла на
плечи Н. А. Ушакова. Николай Александрович в течение года создал отдел, до сих пор не имеющий себе равных в музеях страны. Вместе с ним
работали М. С. Волков, К. Е. Кожевников, Д. Д. Топорков, А. П. Смолин и др. За основу размещения экспонатов приняли рекомендации
А. Е. Ферсмана и в отделе представили 70-80 характернейших и главнейших месторождений Урала.
325
Что же сейчас могут увидеть посетители музея? Месторождения,
приуроченные к основным и ультраосновным породам. Урал – классическая область развития этих пород; только платиноносный габброперидотитовый пояс почти на 600 км протянулся вдоль меридиана. Первые находки платины вместе с осмистым иридием относятся к 1819 г.
Первая чисто платиновая россыпь разведана спустя несколько лет на
р. Орулихе. Коренные месторождения были обнаружены на горе Соловьевой. Когда-то Урал «изумил весь мир богатством золотых и платиновых
россыпей», – писал И. С. Рожков, известный специалист по геологии россыпных месторождений золота и платины. В уральских россыпях найдены крупнейшие в России и самые крупные в мире самородки платины.
По данным Н. К. Высотского, уральские россыпи за столетний период их
разработки (1824-1924) дали более 15750 пудов сырой платины и осмистого иридия, из них только в Исовском районе – около 8000 пудов. Сейчас россыпи практически исчерпаны. В коллекциях музея хранятся многочисленные, ныне уже неповторимые образцы платины из россыпных
и коренных месторождений, и среди них самородок массой 44 г.
С основными и ультраосновными породами связаны месторождения
хромита, титаномагнетита, хризотил-асбеста, талька, антофиллит-асбеста и др. Руды и сопутствующие породы Качканарского, Сарановского,
Баженовского и др. месторождений хорошо представлены в собраниях
отдела. Переданные в музей Ю. А. Соколовым и Л. И. Поздняковой образцы диопсида, апофиллита, брусита, везувиана, гроссуляра и ссайбелиита приумножили научную и эстетическую ценность коллекции минералов, встречающихся в ультрабазитах.
С кислыми породами, главным образом гранитами, связаны месторождения золота, вольфрама, драгоценных и поделочных камней. Золото
на Урале – вездесущий минерал. Здесь зародилась золотая промышленность России. Со времени открытия по 1923 г. на Урале добыто 704 тонны золота, в том числе 533 тонны из россыпей. Проф. М. О. Клер, проводя геологические экскурсии по Екатеринбургу, показывал возле церк326
ви выход кварцевой жилы с крупинками золота. Прииски были на
р. Мельковке (ныне территория завода им. Я. М. Свердлова), на речке
Отрясихе (протекала там, где сейчас ул. Радищева), на Уктусе и других
местах р. Исети и ее многочисленных притоках. Прииски были повсюду
на восточном склоне, более того, в первой половине XIX в. местность,
примыкающая к городу, называлась Екатеринбургской золотой долиной.
Музей располагает уникальной коллекцией золота и золотоносных
пород, взятых из россыпных, жильных образований различных формаций и железных шляп колчеданных месторождений. Здесь же можно познакомиться с минералами и породами ряда коренных месторождений
золота – Березовского, Кочкарского, Быньговского, Крылатовского, которые эксплуатируются до сих пор. Коллекция формировалась за счет
поступлений из разных источников. Из музея кафедры минералогии
наиболее ценные экспонаты из треста «Уралзолото» поступили в 1955 г.
Три крупных самородка золота получены в 1992 г. из Гохрана. Всемирную славу Уралу принесли железо и медь. Ушли в прошлое, исчезнув,
крупнейшие контактово-метасоматические месторождения гор Высокая,
Благодать, Магнитная. Добыча руды на г. Высокой началась в 1721 г.
В музее выставлен штуф магнитного железняка этого месторождения.
В нем 73 % железа, остальное – кислород. «Гора Благодать – дар божий», – так называл В. Н. Татищев это месторождение магнетитовых
руд. Магнетитовые руды г. Магнитной, полевошпатовые и скаполитовые
оспенные руды г. Благодати сохранились, по-видимому, только в нашем
музее, в природе их уже нет.
Урал – геологическая провинция с уникальным скоплением сульфидов железа - меди и цинка. В витринах представлены медно-цинковые
руды многочисленных колчеданных месторождений, которые начинаются на хребте Шемур – на севере и закончиваются в Казахстане. Руды
эти являются комплексными: помимо меди, цинка, кадмия, селена, германия и др. металлов они являются важным источником благородных
металлов. В Свердловской области сосредоточены лучшие и крупней327
шие в Союзе месторождения бёмита, диаспоровых бокситов. В витринах
мы видим и руды редких металлов: ниобия, вольфрама, титана, никеля.
Посетителей привлекают и нерудные полезные ископаемые: тальк, магнетит, калийно-магнезиальные соли и др. – и особенно поделочные и декоративные камни. Слава уральской яшмы, родонита вышла далеко за
пределы Урала. Акад. А. Е. Ферсман писал: «Я не знаю другого минерального вида, который был бы более разнообразен по своей окраске,
чем яшма: все тона, за исключением чистого синего, нам известны
в яшме, и переплетаются они иногда в сказочную картину».
Месторождения Урала дали много для развития отечественной промышленности, науки и искусства, и никакая, даже самая современная,
лаборатория не может воссоздать природный минеральный мир Урала
во всем его многообразии.
14.4. Отдел минералогии
«Урал... является одаренным природой с безумной щедростью – нигде в целом свете не встретилось такого разнообразия минералов на таком сравнительно ограниченном пространстве и в таких мощных формах», – говорил Д. Н. Мамин-Сибиряк.
Отдел создан под руководством проф. К. К. Матвеева (1875-1954) –
крупного ученого-минералога и выдающегося коллекционера, сумевшего собрать в институте на кафедре минералогии и в музее редчайшие образцы, имеющие непреходящую научно-эстетическую ценность. Для музея он приобрел и бывшую коллекцию А. В. Калугина (1857-1933) – одного из зачинателей коллекционного дела на Урале. Человек с широким
кругозором, К. К. Матвеев ратовал за проведение детальных минералогических наблюдений на Урале. Как ученый с необыкновенным умением систематизировать, он много заботился о представительности каменного материала. Ученик акад. В. И. Вернадского (1863-1945), он воспринимал минерал как естественно-исторический продукт, обладающий ин328
дивидуальными особенностями, каждая находка которого неповторима.
Поэтому он неоднократно повторял геологам и работникам горнорудных предприятий, принимавших участие в комплектовании музея: «Всякий минерал очень красив и ценен, и если вам встретятся минералы, похожие на плесень или мох, не постесняйтесь, присылайте... собирайте
минералы не только на месторождениях... Очень интересно иметь полную коллекцию минералов осадочных горных пород, все разновидности
доломитов, кальцитов и, наконец, пермские медистые песчаники...».
На обширных просторах Предуралья широкое распространение
имеют пермские медистые песчаники, благодаря своей яркой окраске,
легкой доступности - небольшой глубине залегания и высокому содержанию меди (до 5-6, а иногда до 16 %) – они эксплуатировались с незапамятных времен, служа главным источником меди для Российского государства. Пермские медистые песчаники являлись той сырьевой базой,
опираясь на которую, русская медеплавильная промышленность удерживала на протяжении XVIII в. мировое лидерство.
В образцах песчаника из Пермского Предуралья акад. А. Ф. Фольбортом был открыт новый минерал - водный ванадий меди, описанный
в 1837 году акад. Г. И. Гессом и названный им в честь первооткрывателя
фольбортитом.
В настоящее время на Урале известно более 800 минеральных видов,
около 550 из них представлены в 67 витринах. На сегодняшний день это
самое крупное собрание уральских минералов. Экспозиция открывается
гигантским кристаллом «самого скромного и самого элегантного, по выражению Г. Г. Леммлейна, из камней – кварца». Его вес 784 кг, высота
170 см. Это самый крупный кристалл кварца в музеях бывшего Союза,
возможно, и Европы, и на нем хорошо выражен правый тригональный
трапецоэдр. Наличие такой формы на кристаллах-гигантах – явление исключительное. Он был найден 25 мая 1966 года на Южном Урале (месторождение «Речное») геологом Л. М. Петрухой. Хрусталеносное «гнездо»
329
объемом около 70 м3 находилось на глубине 13 м. Из него было извлечено много кристаллов, all весили более полутонны каждый.
Минералогические коллекции, неодинаковые по содержанию и объему, располагаются в четырех залах.
Первый – зал драгоценных и поделочных камней Урала. Он открывается двумя малахитовыми вазами, поражающими своей красотой. Они
выполнены екатеринбургскими мастерами в 1850 году по эскизу
И. И. Гальберга (1788-1863) – архитектора Кабинета Его Величества,
в стиле русской мозаики. «Так русский человек, – писал А. Е. Ферсман, –
перехитрил природу, если она не давала ему достаточное количество
ценного камня». Рассматривая вазы, можно сделать ряд интересных наблюдений. Например, окраска малахита меняется от почти белой (зеленовато-белой) до почти черной (густой темно-зеленой). И это зависит от
величины индивидов малахитов: чем он тоньше, тем окраска светлее.
Мы видим также явление геометрического отбора и строение сферолитов, а вдоль слоистости замещение фосфатами и силикатами меди – метаморфизм и перерождение малахита.
Многолетняя интенсивная добыча полностью истощила когда-то
мощные Меднорудянское и Гумешевское месторождения. И сейчас
крупные монолиты уральского малахита можно видеть только в музеях.
Наш музей обладает тщательно подобранной коллекцией этого истинно
уральского минерала.
Едва ли какую-либо область бывшего Союза можно сравнить с Уралом по богатству кварца и его разновидностям: бесцветный и дымчатый
горный хрусталь, морион, цитрин и, наконец, аметист. Все это выставлено в прекрасном оформлении в виде природного сырья и изделий.
Особо следует отметить прекрасную коллекцию аметиста – уникальные
штуфы и граненые камни. В уральских камнях окрашена только пирамида нарастания основного положительного ромбоэдра, и эта особенность распределения фиолетовой окраски хорошо видна на некоторых
экспонатах. Рассматривая эти витрины с поделочными и драгоценными
330
яшмами, родонитами, аметистами, агатами, топазами, гранатами и др.,
мы почти не обращаем внимания на малозаметный кристалл эвклаза, который, по описанию А. Е. Ферсмана «..., является драгоценным камнем
par exellense, потому что соединяет в себе красоту окраски, ясность тона
и чистоту с действительной редкостью, заставляющей держать на учете
каждый найденный в России камень». По его данным, на Урале было
найдено не более 25 кристаллов, все они происходили из золотоносных
россыпей р. Каменки (приток р. Санарки). «И когда находишься среди
этих чудных камней Урала, то удается удовлетворить не только свою
любознательность, но и получить большое эстетическое наслаждение».
«Красота есть проявление тайных законов природы, которые без ее явления оставались бы для нас навсегда скрытыми».
Кристаллы всегда привлекали внимание людей своим внешним видом. В отделе имеется зал, экспонаты которого иллюстрируют конституцию и морфологию минеральных индивидов. Здесь господствуют
симметрия и строгие геометрическое образы. Человек посредством симметрии «... на протяжении веков пытался постичь и создать порядок
и красоту, совершенство». В отношении кристаллов это блестяще выполнил русский генерал А. В. Гадолин. В 1867 г. он вывел 32 класса видов симметрии. В пяти витринах представлены кристаллы, характеризующие законы симметрии минералов Урала, и на одной из таблиц показано распределение уральских минералов по 32 классам симметрии.
Большой научный и познавательный интерес представляет коллекция метеоритов. Директору музея И. А. Юдину, большому знатоку метеоритов, удалось собрать самую лучшую и обширную на востоке России коллекцию космических пришельцев. Одним из первых в ней появился 12-килограммовый обломок Сихотэ-Алинского болида, выпавшего в виде метеоритного дождя утром 12 апреля 1947 года в Красноармейском районе Приморского края. Всего здесь было собрано несколько
тысяч обломков общим весом около 23 тонн. Статистика отмечает, что
подобные падения наблюдаются раз в течение столетия. 16 июля 1949
331
года в 8 часов 15 минут выпал метеоритный дождь в Кунашакском районе, в 60 км севернее Челябинска. Несколько кусочков оливино-гиперстенового хондрита были переданы в музей школьников М. Соболевым
(впоследствии выпускник нашего института, известный геолог) и врачом Вдовкиной. В 1985 году коллекция метеоритов пополнилась хондритом 4,5 кг, найденным в Камышловском районе А. Ф. Каратаевым.
В каталог метеоритов он внесен под именем «Свердловск». Нельзя не
отметить собрание тектитов – своеобразных стекол проблематичного,
возможно, космического происхождения. Их подарили музею Л. А. Гузовский и выпускник института, ныне профессор Карлова университета
в Праге Мирко Ванечек.
Главное же наше внимание обращено на систематическое собрание
уральских минералов, которые в отделе экспонируются в такой последовательности: простые вещества, сульфиды и их аналоги, галоиды, оксиды и гидроксиды, соли кислородных кислот (силикаты, карбонаты, фосфаты, вольфраматы и др.), т. е. в основу их размещения положена конституция минерального вида. В 67 витринах выставлено, на сегодняшний день, самое полное собрание уральских минералов.
В коллекциях отдела кроме рядовых представителей минерального
мира нашли свое место и ряд уникумов: это друза кристаллов шеелита
из Кедровского месторождения, редчайший бромеллит, находки эти сделаны в 1965 году, упоминавшийся нами выше эвклаз, кристалл-гигант
ильменита из Селянкинского месторождения, гигантолистоватый тальк
и многие другие. Украшение отдела – коллекция «волосатиков» и других минералов из жил альпийского типа Среднего Урала, собрана в основном К. К. Матвеевым.
В последние году к этому списку украшений добавилась коллекция
пушкинитов и других минералов из месторождений «Кацина Яма». Более 20 лет потребовалось Н. Мамину, чтобы собрать эти неповторимые
экспонаты. Большие дополнительные возможности для изучения минералогии, особенно топоминералогии Урала, дают тематические и специ332
альные коллекции азурита и малахита, крокоита и друтих минералов,
а также коллекции золота и платины.
Большой интерес представляет коллекция техногенных минералов.
Она стала собираться еще в довоенное время, когда Г. Н. Вертушков начал изучать процессы новейшего минералообразования при подземных
серноколчеданных пожарах и в техногенных зонах окисления колчеданных руд. Тогда им были открыты разновидности мелантерита: кировит
и купрокировит, а позже В. Н. Авдониным найдены редкие не только
для Урала пуатвенит, бонаттит, роценит, ганнингит и бойлеит.
Большая коллекция – более сотни образцов, образующихся при горении отвалов Коркинского угольного карьера, – поступила в 1992 году
от заведующего лабораторией Института минералогии УрО РАН проф.
Б. В. Чеснокова. Оказывается, активно живущие углесодержащие отвалы – это динамические системы, в которых, как в гигантской лаборатории, происходит генерирование минералов, многие из них до сих пор не
найдены в земной коре, например дмиштейнбергит и святославит из
группы полевых шпатов, годовиковит, рориеит, копейскит, редикорцевит, баженовит. В последнее время к этому списку добавились торбаковит, овчинниковит, кутюхинит и подногинит.
Коллекции минералов постоянно пополняются.
Трудно переоценить значение уральской природы в истории развития отечественной да, пожалуй, и мировой минералогической науки.
Конец XVIII и почти весь XIX век был поистине «золотым веком»
уральской минералогии. Именно с этого времени в научный обиход,
в российские и мировые коллекции вошло много новых минералов с местными названиями: ильменит, ильменорутил, вишневит, сысертскит,
невьянскит или с именами русских людей: канкринит, уваровит, александрит, самарскит, перовскит, фольбортит.
Об этих и других минералах, составляющих небольшую тематическую коллекцию, расскажем особо.
333
Крокоит – один из наиболее ценимых минералов. В нашей стране он
встречается только на Урале, на Березовском золоторудном месторождении, которое, кстати, дало науке пирофиллит, айкинит, феникохроит,
вокеленит, эмбрейит, касседаннеит. Крокоит из Преображенского рудника был описан сотрудником М. В. Ломоносова И. Г. Леманом в 1766
году. Спустя 31 год французский химик Л. Н. Вокелен открыл в этом
минерале, а назывался он тогда сибирской красной свинцовой рудой,
новый элемент – хром.
Монацит открыт И. И. Менге в 1826 году в Ильменских горах. Изучен и назван немецким минералогом И. А. Брейтгауптом в 1829 году.
Фенакит найден на изумрудных копях Яковом Васильевичем Коковиным – художником-камнерезом, командиром Екатеринбургской гранильной фабрики и Горнощитского мраморного завода, выдающимся
мастером художественной обработки камня. В числе его уникальных
находок, кроме фенакита, - кристалл берилла весом 2507 г и кристалл
изумруда редкой частоты и прозрачности. Фенакит был изучен и «крещен» шведским геологом Н. Норденшельдом.
Канкринит – под таким названием Г. Каммерер описал минерал синего цвета из Ильменских гор, который оказался содалитом. Но немецкий минералог Густав Розе, сопровождавший А. Гумбольдта во время
его путешествия по Уралу, в том числе и по Ильменам, настоял, чтобы
в названии другого открытого в Ильменских горах минерала было увековечено имя знаменитого государственного деятеля России, министра
финансов, графа Е. Ф. Канкрина.
Александрит – разновидность хризоберилла. Минерал изумруднозеленого цвета при естественном и красновато-фиолетовый при искусственном освещении был найден в 1833 году. Изучался Н. Норденшельдом, который и дал ему название в честь Александра II. Камень стал
символом царствования этого императора – зеленое, полное надежд утро
(реформа 1861 г.) и кровавый закат (гибель от бомбы народовольца
1 марта 1881 г.).
334
Севергинит был найден Г. Г. Китаевым в кварцевой жиле Тунгатарского месторождения в 1948 году. Впервые описан Г. П. Барсановым.
Назван в честь выдающегося минералога и химика, одного из основателей Минералогического общества, академика В. М. Севергина.
К числу редких минералов с интересной историей относится самарскит, найденный П. Евреиновым, майором корпуса горных инженеров,
в Ильменских горах в начале XIX века и описан в 1842 году Густавом Розе
как уранотанталит. Химический состав минерала изучался братом Генрихом Розе, от которого и получил название в честь начальника штаба корпуса горных инженеров, полковника В. Е. Самарского-Быховца. Уникальность самарскита в том, что в нем было обнаружено три новых элемента:
в 1879 году самарий – П. Э. Лекок де Буабодраном, в 1880 году гадолиний – Ж. Ш. Г. Мариньяком и в 1901 году европий – Э. А. Демерсе.
Всего же в уральских минералах удалось открыть пять элементов.
Кроме названных выше, в 1844 году профессором Казанского университета К. К. Клаусом в платиновой руде был обнаружен рутений, названный так в честь России.
Многие минералогические открытия последних лет связаны с именем Бориса Валентиновича Чеснокова. Он определил и изучил найденный В. И. Поповым вертушковит. Сам открыл в пегматитовой жиле
Ильменских гор калугинит и вблиза Миасса – свяжинит, назвав его так
в честь рано ушедшего из жизни ассистента кафедры минералогии
Н. В. Свяжина.
Геологический музей – гордость Уральского государственного горного университета. Его следует рассматривать как государственное хранилище уральских минералов.
Геологический музей, словами Н. Лемере, «можно назвать библиотекой, книги которой написаны самой природой. Они всегда открыты
и никогда не прочитываются». Эта мысль подчеркивается в решении
комиссии Всесоюзного минералогического общества по музеям: «Минералогические музеи и музейные коллекции в вузах предназначены пре335
жде всего быть каменными учебниками минералогии», ибо ни одна книга не сообщит столько сведений о минерале, как сам минерал, человеку,
умеющему это понять.
В музее постоянно проводятся выставки минералов, горных пород,
полезных ископаемых и готовых изделий из частных коллекций любителей камня, предприятий и фирм, занимающихся добычей и производством товаров из природного сырья.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какие события способствовали открытию Уральской геологической
выставки?
2. Что можно увидеть в отделе общей и исторической геологии?
3. Какими полезными ископаемыми богат Урал?
4. Какие химические элементы открыты в уральских минералах?
5. Какие минералы открыты впервые в уральских месторождениях?
336
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Геология для недропользователя: практическое руководство для
предпринимателей. Объекты и условия недропользования. Методика
полезных исследований / В. Б. Болтыров, А. Ф. Фадеичев, В. И. Лещиков, С. И. Бирючев. М.: Недра, 1995.
Вронский В. А., Войткевич Г. В. Основы палеогеографии. Ростов-наДону: Изд. «Феникс», 1997.
Гальперин A. M., Зайцев B. C., Норватов Ю. А. Гидрогеология и инженерная геология. М.: Недра, 1989.
Геологический словарь. Т. 1, 2. М.: Недра, 1978.
Геология и разведка месторождений полезных ископаемых / В. В. Ершов, И. В. Еремин, Г. Б. Попова, Е. М. Тихомиров. М.: Недра, 1989.
Горная энциклопедия. Т. 1, 2, 3, 4, 5. М.: Советская энциклопедия,
1984-1991.
Ершов В. В., Новиков А. А., Попова Г. Б. Основы геологии. М.:
Недра, 1986.
Кейльман Г. А., Болтыров В. Б. Основы геологии. М.: Недра, 1991.
Короновский H. B., Якушева А. Ф. Основы геологии. М.: Высшая
школа, 1991.
Курс общей геологии / В. И. Серпухов, Т. В. Билибина, А. И. Шалимов и др. Л.: Недра, 1976.
Левитес Я. М. Общая геология с основами исторической геологии
и геологии СССР. М.: Недра, 1986.
Мильничук B. C., Арабаджи М. С. Общая геология. М.: Недра, 1989.
Милютин
А. Г. Геология и разведка месторождений полезных
ископаемых. М.: Недра, 1989.
Милютин А. Г. Геология. М.: Высшая школа, 2004.
Монин А. С. История Земли. Л.: Наука, 1977.
Общая геология: в 2 тт. / под редакцией А. К. Соколовского. М.:
КДУ, 2006.
337
Общая и полевая геология / А. Н. Павлов, И. А. Одесский, А. И. Иванов и др. Л.: Недра, 1991.
Рудницкий В. Ф. Основы учения о полезных ископаемых. Екатеринбург: УГГГА, 1997.
Скабалланович И. А., Седенко М. В. Гидрогеология, инженерная
геология и осушение месторождений. М.: Недра, 1980.
Смирнов В. И. Геология полезных ископаемых. М.: Недра, 1976.
Хаин В. Е. Основные проблемы современной геологии (геология на
пороге XXI века). М.: Наука, 1994.
Яковлев П. Д. Промышленные типы рудных месторождений. М.:
Недра, 1990.
338
Учебное издание
Юрий Алексеевич ПОЛЕНОВ
доктор геолого-минералогических наук, профессор
ОСНОВЫ ГЕОЛОГИИ
Учебник
Издание четвертое, исправленное, дополненное
Редактор издательства Л. В. Устьянцева
Компьютерная верстка Н. Л. Сайгиной
Подписано в печать 24.08.2018 г.
Формат бумаги 60 84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Печ. л. 17,125. Уч.-изд. л. 17,0. Тираж 100. Заказ
Издательство УГГУ
620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбыщева, 30
ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет».
Отпечатано с оригинал-макета в ООО «Амирит»,
410004, г. Саратов, ул. Чернышевского, 88.