Учебное пособие по Геологии. Учебное пособие для студентов i курса Разработал В. Г. Юхименко Ижевск 2007 Содержание введение
 Скачать 6.88 Mb.
|
|
ГЛАВА 5. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 5.1. Общая характеристика геологических процессов На земной поверхности и внутри земной коры в течение всей геологической истории происходили и происходят различные геологические процессы, которые влияют на образование месторождений полезных ископаемых. Осадочные толщи и такие полезные ископаемые, как каменные угли, нефть, газ, горючие сланцы, фосфориты и другие, являются результатом деятельности живых организмов, воды, ветра, солнечного света и всего остального с ними связанного. Чтобы образовалась нефть, например, необходимо, прежде всего, накопление огромного количества ископаемых остатков в осадочных толщах, погружающихся на значительную глубину, где под влиянием высоких температур и давлений происходит пре-вращение этой биомассы в нефть или природный газ. Все геологические процессы подразделяются на эндогенные (внутренние) и экзогенные (поверхностные). Эндогенные процессы —это процессы,обусловленные главным образом внутренними силами Земли. К ним относятся различные перемещения участков земной коры (горизонтальные и вертикальные тектонические движения), землетрясения, извержения вулканов и излияния магмы (жидкой огненной лавы) на поверхность Земли, на дно морей и океанов, а также глубинные разломы земной коры, тектонические нарушения, складкообразование и др. Земная кора в течение геологической истории подвергалась как вертикальным колебательным движениям, так и горизонтальным перемещениям литосферных плит. Указанные глобальные изменения каменной оболочки Земли, несомненно, влияли на процессы образования месторождений нефти и газа. За счет вертикальных движений формировались крупные впадины и прогибы, где накапливались мощные толщи осадков. Последние, в свою очередь, могли продуцировать углеводороды (нефть и газ). В других участках, наоборот, возникали крупные поднятия, которые также представляют интерес в нефтегазоносном отношении, так как они могли аккумулировать углеводороды. При горизонтальных перемещениях литосферных плит происходило слияние одних континентов и раскол других, что также отражалось на процессах образования и накопления нефти и газа. При этом, в отдельных участках земной коры возникали благоприятные условия для накопления значительных концентраций углеводородов. Кроме того, к эндогенным процессам относится также метаморфизм, под которым понимается процесс преобразования первично магматических или осадочных пород под воздействием температуры (Т), давления (Р) и флюидов (F). Экзогенные процессы —это разрушение горных пород на поверхности Земли,перенос их обломков и накопление в морях, озерах, реках. В большей степени разрушению подвергаются приподнятые участки местности (горы, холмы), а накопление обломков разрушенных пород происходит, наоборот, в пониженных участках (впадины, водоемы). Экзогенные процессы происходят под влиянием атмосферных явлений (действие осадков, ветра, таяния ледников, жизнедеятельности животных и растений, движение рек и других водных потоков и др.). 37 5.2. Эндогенные процессы 5.2.1. Магматизм 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). Основной причиной плавления вещества и возникновения магматических очагов в литосфере является повышение температуры. Подъем магмы и прорыв ее в вышележащие горизонты происходят вследствие так называемой инверсии плотностей, при которой внутри, литосферы появляются очаги менее плотного, но мобильного расплава. Таким образом, магматизм — это глубинный процесс, обусловленный тепловым и гравитационным 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. С точки зрения химического состава магма представляет сложную многокомпонентную систему, образованную в основном кремнеземом SiO 2 и веществами, химически эквивалентными силикатам Al, Na, K, Ca. Преобладающим компонентом магмы является кремнезем. В природе существует несколько типов магм, различающихся по химическому составу. Состав магм зависит от состава материала, за счет плавления которого они образуются. Однако при подъеме магмы происходит частичное плавление и растворение вмещающих пород земной коры, или их ассимиляция; при этом первичный ее состав меняется. Таким образом, состав магм изменяется в процессе как внедрения их в верхние горизонты коры, так и кристаллизации. На больших глубинах в магмах в растворенном состоянии присутствуют летучие компоненты — пары воды и газов (H 2 S, H 2 , CO 2 , 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 температур и давлений происходит распад системы на две фазы — расплав и газы. Если движение магмы медленное, 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, окружающим магматическую камеру, 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, 38 породообразующих минералов сформировавшейся породы, но не является строго индентичным 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 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. 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. Несколько позднее, в 30-е годы, широкое распространение получила гипотеза существования только одной первичной магмы — базальтовой, разработанная Н.Боуэном и пользовавшаяся признанием вплоть до недавнего времени. 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 геологических периодах излияния базальтовых магм, практически не меняющихся по составу. Отсюда следует, что базальтовая магма развита повсеместно. 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 точке плавления. Небольшое повышение температуры на отдельных участках в результате выделения радиогенного тепла 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. Таким образом, базальтовая магма представляет собой наиболее легкую выплавку, или фракцию, вещества астеносферы. 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 10— 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, насыщеные газами. Основные магмы более тяжелые (по сравнению с кислыми), подвижные и содержат меньшее количество газов. 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 39 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. 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 силикатов, 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 образовываться ультраосновные породы; при этом в верхних слоях 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 раскристаллизоваться. 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 сохраняются непереплавленные ксенолиты, а на окружающих их участках магма «загрязняется» чужеродными компонентами. При застывании таких участков образуются гибридные породы с нарушенным, 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. 40 Интрузивный 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 очень 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. Эффузивный 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, превращается в лаву. Лава отличается от, магмы тем, что почти не содержит летучих компонентов, которые при падении давления отделяются от магмы и уходят в атмосферу. При излиянии магмы на поверхности образуются вулканы различного типа. По характеру пространства, занимаемого поднимающейся магмой, 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 отдельные отрезки 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. Большинство современных вулканов относится к центральному типу. При извержении таких вулканов обычно образуются конусообразные постройки. 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 крутые внутренние стенки и довольно плоское дно. 41 Извержения вулканов носят различный характер: могут сопровождаться взрывами и землетрясениями или протекают спокойно. Взрывы часто происходят в результате закупорки центрального канала вязкими лавами и скопления газов под образовавшейся пробкой. Жидкие лавы спокойно переливаются через край кратера и растекаются по окружающей местности. В целом, при извержениях продукты вулканической деятельности могут быть газообразными, жидкими и твердыми 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 выделяются сухие, кислые и щелочные фумаролы. 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 ангидрид. Щелочные фумаролы характеризуются средними температурами, немного выше 180°С, и содержат главным образом хлористый аммоний, при разложении которого выделяется свободный аммиак. 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, различаются по химическому составу, определяющему их физические свойства. В зависимости от содержания SiO 2 выделяют лавы кислые (риолитовые) и основные (базальтовые). Кислые (риолитовые) лавы светлые, окрашены обычно в серые тона, вязкие, тугоплавкие, медленно остывают и содержат много газов. Основные ( |