Курс лекций по инженерной геологии (стр. 43 )

Галоидные и сернокислые соли залегают обычно в виде пластов среди глинистых пород, последние их предохраняют от растворения подземными водами.

Алюминиевые породы. Наиболее ценными из них являются бокситы — порода, состоящая преимущественно из гидратов окиси алюминия Аl2Оз* 2Н20 с примесью гидратов окиси железа, каолинита и Si02. Чаще всего порода землистого, плотного или оолитового строения, светло-желтого, красно-бурого, красного, но иногда и белого цвета. Образуются бокситы при выветривании алюмосиликатных магматических пород в странах с жарким климатом при чередовании засушливых и дождливых сезонов (так называемом латеритном выветривании), а также при осаждении в прибрежных зонах морей и в озерно-болотных водоемах. Из бокситов добывают алюминий. Месторождения их разрабатываются на Северном Урале, в Ленинградской области, в Восточном Саяне, Казахстане и т. п.

Фосфоритовые породы. К ним относятся многие осадочные породы (песчаники, глины, ракушечники), обогащенные кальциевыми солями фосфорной кислоты с содержанием P205 до 12—40% и более. Фосфоритовые породы встречаются в виде конкреций и пластов. Образуются они как хемогенным, так и биогенным путем в морях и на континентах (в озерах, болотах, пещерах). В морях, согласно исследованиям , фосфориты возникают при выпадении химического осадка на глубинах от 50 до 150 м. Здесь фосфориты образуют конкреции пли пласты, достигающие мощности 10—15 м. Цвет фосфоритов серый, темно-серый, черный. Применяются как сырье для удобрения и получения фосфора. Месторождения их имеются в Южном Казахстане, в Московской, Курской, Брянской и других областях.

Каустобиолиты. Под именем каустобиолитов объединяется большая группа органогенных горных пород и минералов. Они бывают твердыми (торф, бурый, уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы, асфальт, озокерит, янтарь), жидкими (нефть) и газообразными (горючие газы). Наиболее распространены ископаемые угли, нефть и продукты ее изменения.

Ископаемые угли представляют собой в той или иной степени разложенные растительные остатки. Растительные массы могут накапливаться на месте произрастания (автохтонное накопление) или они переносятся и отлагаются в устьях рек (аллохтонное). При разложении органических остатков без доступа кислорода образуются твердые органические вещества, богатые углеродом (гумусовые). Они являются основной составной частью торфов. При перекрытии торфа глинистым или песчанистым пластом торф уплотняется, теряя часть воды. Под действием бактерий гумусовое вещество обогащается углеродом. Если биохимические процессы протекали под небольшим давлением и при температуре не свыше 60—70°, то образуются бурые угли. Для образования каменного угля из бурого требуются большие давления и температура не ниже 300°С. Поэтому каменные угли образуются там, где в кровле залегают толщи мощностью в несколько сот метров. Количество углерода от бурого угля к каменному и далее к антрациту повышается от 69 до 95%, а количество кислорода понижается от 25 до 2,5%, азота от 0,8% до следов, водорода — от 5,5 до 2,8%.

Лекция 18. Метаморфизм и метаморфические горные породы

Процессы и типы метаморфизма

Процессы изменения текстурно-структурных особенностей и минералогического состава горных пород в термодинамических условиях глубинных частей земной коры называются метаморфизмом, а породы, претерпевшие эти изменения, — метаморфическими.

Замечательной особенностью метаморфизма является то, что глубокое структурно-минералогическое преобразование пород происходит при сохранении в твердом состоянии самих пород и слагающих их минералов. Это обстоятельство сильно затруднило выяснение образования метаморфических пород.

Развитие взглядов на процесс метаморфизма имеет длительную историю. Объясняя образование метаморфических пород, ученые первоначально придавали исключительное значение высоким температурам и давлению залегающих выше осадочных толщ, возрастающих по мере погружения метаморфизуемой породы в недра земной коры. Однако стали известны случаи, когда осадочные породы, находившиеся на глубине в несколько километров, не были подвергнуты метаморфизму. В то же время было обнаружено, что важное значение для метаморфизации осадочных отложений имеет не только вертикальное давление вышезалегающих пород, но и субгоризонтально или под углом направленное давление, возникающее при складкообразовании, независимо от глубины нахождения метаморфизуемой породы.

Было также подмечено, что степень метаморфизма у древних пород более высокая, чем у геологически относительно молодых. Это принципиально верное заключение свидетельствует о значении фактора времени при метаморфизме. В результате работ выдающегося русского петролога установлено что для преобразования минералогического состава метаморфизуемых пород необходимо участие особых подвижных компонентов.

Следовательно, основными факторами метаморфизма являются не только высокие давление и температуры, но и подвижные соединения, в первую очередь вода и ион СО3.

Метаморфизм — сложный процесс, состоящий из многих частных процессов. Они тесно переплетаются между собой, однако часто какой-либо из них преобладает.
Так, при низких температурах могут преобладать механические явления, связанные с направленным давлением (стрессом). Под воздействием огромного давления пластичные глины превращаются в плотные глинистые сланцы, а твердые породы дробятся, катаклазируются, а затем также приобретают сланцевую текстуру. Этот процесс носит название механического, или катакластического, метаморфизма.

При контактовых процессах могут быть случаи метаморфизма, протекающие в условиях значительной температуры, но низкого давления. Например, изливающаяся на поверхность лава обладает высокой температурой и обжигает на контакте горную породу, вызывая ее остеклование и частичную перекристаллизацию. Этот процесс называют каустическим метаморфизмом.

В связи с преобладанием того или иного фактора в преобразовании горных пород различают следующие виды метаморфизма:

динамометаморфизм, региональный, контактовый метаморфизмы.

Динамометаморфизм. Основная причина изменения пород — ориентированное давление. Под действием давлений породы нередко скручиваются, сжимаются, а иногда перетираются до мельчайших частиц — мелантизируются. Минералы в горных породах, подвергшихся динамометаморфизму, приобретают характерную ориентировку, располагаясь линейно-параллельно, причем своими длинными осями они ориентированы перпендикулярно давлению. Последнее обстоятельство способствует уменьшению связей в направлениях, параллельных расположению длинных осей кристаллических зерен, что обусловливает рассланцевание (расслоение) породы на отдельные, иногда очень тонкие, плитки с ярко-блестящими поверхностями, представленными часто слюдами, хлоритами, тальком и другими минералами (по их спайности и происходит рассланцевание). Текстура пород очковая, плойчатая.

Региональный метаморфизм проявляется под действием петростатического давления и высоких температур, свойственных глубоким зонам земной коры, охватывает громадные площади и потому называется региональным метаморфизмом.

Как правило, в зоне метаморфизма преобразование пород происходит под совместным воздействием высоких температур и давлений. Принимая удельный вес пород за 2,6—2,8, гидростатическое  давление на глубине уже 1 км будет 260—280 кг/см2. В этих условиях происходит коренная перестройка кристаллохимических структур минералов. В зависимости от исходных минералов возникают определенные метаморфические минералы.

Растворимость вещества увеличивается в направлении повышения давления. В условиях колоссального давления на глубине в несколько десятков километров это приводит к тому, что даже такие минералы, которые устойчивы в данных условиях, начинают частично растворяться в направлении сдавливания, но соответственно нарастать в перпендикулярном направлении. В итоге минералы постепенно располагаются своей длиной перпендикулярно направлению сдавливания, в результате чего образуется одинаковая ориентированность минералов (кристаллизационная сланцеватость), столь характерная для метаморфических пород. Наиболее легко поддаются такой переориентировке минералы пластинчатого или призматического облика.

Такая перекристаллизация может происходить без изменения минерального состава, хотя чаще происходит возникновение новых минералов за счет разрушения неустойчивых в зоне метаморфизма.

При нарастающем давлении минералообразование развивается в сторону возникновения более компактных соединений, обладающих большим удельным весом и меньшим молекулярным объемом по сравнению с исходными минералами.

Различные исследователи сильно расходятся в оценке величин температуры и давления, обусловливающего метаморфизацию пород. Одни считают, что процессы метаморфизма совершаются при температуре до 1200°С, другие в качестве нижнего предела температуры метаморфизма принимают 200—550° С. По-видимому, температуры метаморфизма 200—500° характерны для складчатых зон, а 800°С — для глубинных частей докембрийских платформ.

Предполагают, что процессы метаморфизма особенно энергично развеиваются на глубинах от 10 до 50 км и соответственно под давлением в 4—14 тыс. атм.
Очень часто при метаморфизме совершается не просто перегруппировка одних и тех же химических элементов, а их закономерное перераспределение, сопровождающееся привносом одних и удалением других элементов. При этом происходит метасоматическое образование метаморфических минералов. Необходимым условием этого процесса является наличие подвижных соединений.

Контактный метаморфизм обусловлен воздействием внедряющихся магматических масс на вмещающие породы. При контактном метаморфизме вторгающаяся магма, остывание которой происходит на протяжении миллионов лет, воздействует на вмещающую толщу во всех направлениях, оплавляя и обогащая породу вблизи контакта выделяющимися из нее газами (температура на контакте достигает 1000°С и более). За счет смешения расплавленных вмещающих пород с магмой возникают новые минералы и породы, образующие контактную оболочку, или контактный ареал. Новообразующиеся минералы и породы тем разнообразнее, чем резче различие между вмещающими горными породами и магмой. Так, на контакте гранитной магмы с известняками появляется целый ряд переходных зон, которые по мере удаления от гранитной массы представлены все более основными породами. В тех случаях, где не происходит смешения известняка с расплавленной магмой, происходит перекристаллизация чистого известняка и превращение последнего в мрамор. При вторжении той же гранитной магмы в толщи осадочных кварцевых песков или песчаников почти совершенно не наблюдается образования новых минералов, а осадочные толщи превращаются в кварциты. На контакте гранитов с оливиновыми породами появляются тальковые и хлоритовые сланцы.