Горная вулканическая порода: виды и область применения

Магма из недр нашей планеты сквозь трещины и другие каналы в земной коре движется вверх, что приводит к образованию вулканов и вулканических покровов. Во время движения магма освобождается от газов, которые растворены в ней, а затем извергается уже лишенная их. Магму, которая вылилась на поверхность, принято называть лавой. После извержения лава остывает и твердеет, так образуются горные породы: вулканические или эффузивные. Горная вулканическая порода состоит из кристаллов малых размеров, которые невидимы невооруженным глазом.

Структура горных пород зависит от скорости остывания лавы. Если лава остывала очень быстро, то в горной породе возможно наличие стекла, которое относится к некристаллическим веществам.

Горные породы имеют очень широкое применение, так как они являются сырьем для производства материалов, применяемых в строительстве:

• цемента,
• щебня,
• камней, используемых для декоративной обработки.

Также в результате вулканической деятельности возможно образование множества минералов и металлов:

• сфалеритов,
• галенитов,
• пиритов,
• серебра,
• золота,

которые давно находят применение в химической и металлургической отраслях. Глина — это вулканическая горная порода, равно как и обсидиан, представляющий определенную ценность для ювелиров. Это хороший поделочный материал, напоминающий стекло и имеющий яркую белую, серую или черную окраску. Слева изображены образцы этого минерала.

Среди самых известных вулканических горных пород базальты, андезиты, риолиты, фонолиты, трахиты.

Базальт

Базальт – это наиболее распространенная на Земле порода темного оттенка, очень твердая и плотная. Базальты имеют порфировую структуру с четко выделяющимися большими включениями оливина (насыщенного зеленовато-желтого цвета, отлично различимы на фотографии) и блестящего авгита черного цвета на основе матрицы, включающей в себя плагиоклазы, пироксены и амфиболы. Извержение базальтовой лавы происходит спокойно сквозь вулканические жерла и трещины в земной коре. Наиболее характерным является образование базальтов в зоне срединно-океанических хребтов.

Принятая классификация

Все магматические породы (магматиты) классифицируются на основании минералогии, химии и текстуры. Минералы, образованные охлаждённой магмой в недрах Земли, отличаются от застывших на поверхности из-за различия физико-химических условий в этих средах. По месту формирования их делят на два типа:

1. Интрузивные. На глубине температура и давление значительно выше, чем на поверхности. Расплавленная порода остывает медленно и кристаллизуется полностью, что способствует образованию полезных ископаемых.
2. Эффузивные. Магма, выброшенная вулканами на поверхность, испытывает быстрое охлаждение без дополнительного воздействия. В результате порода содержит незначительные вкрапления минералов или лишена их вовсе. В последнем случае это может быть затвердевшее стекловидное вещество с высокой вязкостью (обсидиан).

Характеристики магматических пород зависят от глубины их застывания. По этому признаку выделяют три группы:

• вулканические — затвердевшие на поверхности земли вулканиты и субвулканиты, застывшие вблизи неё;
• гипабиссальные — сформировавшиеся на малых глубинах;
• плутонические (плутониты) — породы глубинного залегания.

Обнажённые интрузивные породы могут появиться на поверхности только после длительного периода денудации (изнашивания настилающих слоёв в результате выветривания и эрозии), в итоге выталкивающего действия тектонических сил или при комбинации этих двух условий. Бывают самых разных размеров: от маленьких зернистых и жилообразных включений до массивных батолитов, которые простираются более чем на 100 квадратных километров и составляют сердечники больших горных хребтов.

Выбросы эффузивов наблюдаются в зонах вулканической активности. Они происходят в двух формах:

• Перемещающиеся от жерла лавовые потоки. Более жидкие похожи на реки, обладающие значительной вязкостью. Застывают толстыми (сотни метров) последовательными слоями и при извержении из длинных трещин в рифтовых зонах образуют обширные плато. Примером являются плато Декан в Индии и Путорана в России.
• Разлетающиеся раздроблённые куски магмы разных размеров, называемые пирокластическими массами. Мелкие поднимаются в атмосферу и переносятся на сотни километров от эпицентра. Более крупные накапливаются на прилегающей территории.

Интрузивные и эффузивные породы играют важную роль в формировании рельефа земной поверхности, океанической коры и окраин континентов. Связанные с ними процессы были активны с начала образования Земли около 4,5 миллиарда лет назад и способствовали появлению воды, атмосферы и ценных минеральных ресурсов.

Андезит

Андезиты занимают второе место среди вулканических горных пород по степени распространенности в природе. Свое название они получили от горной системы Анды, расположенной на южноамериканском континенте, где они залегают в больших количествах. Андезиты могут иметь различные цвета от светло-серых до темно-серых тонов, а их состав находится где-то в промежуточной фазе между базальтами и риолитами. Андезиты в основном состоят из крупных кристаллов плагиоклазов, а также биотитов, пироксенов и амфиболов.

Текстура и структура

Текстура магматитов, как правило, определяется размером и формой зёрен, составляющих минералы, а также пространственными отношениями между ними. Эти параметры не зависят от массы и геометрии образца породы, но дают ценную информацию об условиях её формирования.

Большинство магматический пород имеют кристаллическую структуру, в которой связаны различные минеральные составляющие. Они развиваются и срастаются во время затвердевания магмы. Скорость её охлаждения оказывает наибольшее влияние на размеры кристаллов в породе. Чем медленнее, тем больше кристаллов, поскольку химические компоненты получают запас времени для встраивания в минерал.

На конечный результат также влияет химический состав магмы. Например, обилие воды увеличивает скорость миграции элементов, а быстрое расширение газов во время извержения вулкана оказывает глубокое влияние на текстуру некоторых пород. Кристалличность обычно делят на несколько степеней:

• Полнокристаллическая состоит исключительно из кристаллов.
• Неполнокристаллическая наряду с кристаллами имеет некоторые вкрапления и стекло.
• Стекловатая содержит преимущественно стекло, имеет мало кристаллов или не включает их вовсе, поскольку затвердела до начала образования. Например, обсидиан, который легко идентифицировать по стекловидному блеску. Края по его сколу могут быть острее, чем у ножа или металлического лезвия. Это свойство сделало минерал фаворитом в хозяйстве людей каменного века, применявших его для изготовления топоров, ножей, наконечников копий.

Зёрна составляющих породу минералов могут быть разных размеров, поэтому их условно делят на несколько типов:

• афонитовый — различимы с помощью микроскопа;
• мелкозернистый — меньше 1 мм;
• среднезернистый — от 1 до 5 мм;
• крупнозернистый — от 5 мм до 2 см;
• очень крупнозернистый — более 2 см.

К наиболее распространённым структурным особенностям вулканической породы относятся пузырчатые отверстия, которые называются везикулами. Они образуются в момент растекания по поверхности раскалённой магмы, когда выделяются содержащиеся в ней газы. Если лава затвердевает до выхода газа, то полученная порода имеет многочисленные полости, определяя пористую структуру.

Везикулы могут варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в диаметре, Это явление обычно распространено в базальтовых магмах, а образованные ею базальты имеют серо-чёрные оттенки (молодые породы) или кирпично-красные (более старые и окисленные). Иногда полости бывают заполнены кристаллами кварца, халцедона, опала и других минералов.

§ 3. Осадочные горные породы

Процессы при происхождении и классификация

Первичные горные породы, находящиеся на земной поверхности, подвергаясь выветриванию, т. е. разрушению под воздействием разнообразных атмосферных факторов (воздуха, воды, смены температур, растительных и животных организмов и т. п.) постепенно превращаются в рыхлые продукты разрушения, которые отчасти ветром и льдом, главным же образом водой, сносятся в более низкие места, закрытые водные бассейны, моря и океаны, где происходит их осаждение. Произошедшие таким образом горные породы называются вторичными или осадочными. Вода может переносить продукты разрушения двумя путями: 1) механически — мелкие частицы во взвешенном состоянии, а крупные — перекатывая по дну; 2) в виде водного раствора, т. к. некоторые продукты образуются в растворимом в воде состоянии. В зависимости от этого и образование осадка может быть либо в результате механического выпадения частиц из потока, в случае, например, сильного замедления течения реки, либо в результате выделения растворимого вещества в осадок, в случае, например, испарения воды, или химических реакций, в результате которых образуются нерастворимые соединения. Кроме того, образование осадка происходит в результате жизнедеятельности низших животных или растительных организмов. Поэтому осадочные породы подразделяют на механические осадки или обломочные породы, физико-химические осадки и органогенные породы (рис. 4). Рыхлые механические осадки (глина, песок, гравий, щебень) с течением времени могут быть пропитаны каким-либо природным связующим веществом и сцементированы им в сплошную монолитную массу. К сцементированным породам относятся, например, песчаник (сцементированный песок), конгломерат (сцементированный гравий), брекчия (сцементированный щебень). Органогенные породы в свою очередь подразделяются на две группы. Если они произошли в результате жизнедеятельности животных организмов, их называют зоогенными, если растительных — фитогенными. К первым относиться известняк-ракушечник, ко вторым —диатомит, трепел, опока. Диатомит образовался из скоплений панцирей микроскопических водорослей — диатомей, состоящих преимущественно из аморфного кремнезема. Трепел – порода, вторичная по отношению к диатомиту, состоящая из мельчайших зерен опала (разновидности аморфного кремнезема), округлой формы. Опока является продуктом уплотнения диатомитов и трепелов.

Минералогический состав осадочных горных пород

В осадочных породах, таких как механические осадки, могут встретиться все минералы первичных пород. Однако для осадочных горных пород характерны и свои, присущие только им минералы. В то время как в магматических породах преобладают соли слабых кислот (кремневой и алюмокремневой) в осадочных горных породах силикаты и алюмосиликаты играют подчиненную роль, уступая первое место солям сильных кислот: угольной, серной и т. д.

Из минералов, присущих только осадочным горным породам, наибольшее значение имеют следующие: кальцит, магнезит, доломит, гипс и каолинит (табл. 3).

Кальцит (известковый шпат). Химический состав кальцита выражается формулой СаСО3. Он встречается в составе известняков и мраморов как в виде прекрасно образованных кристаллов, так и в виде сплошной массы разнообразного сложения, зернистой или плотной. Чистый кальцит бесцветен, при наличии же примесей он бывает сероватым, или белым, или окрашенным в светлые оттенки голубого, желтого, бурого и других цветов. Твердость кальцита равна 3, он характеризуется весьма совершенной спайностью по трем направлениям.

Кальцит распознают по реакции с соляной кислотой, с которой он хорошо реагирует даже на холоду, выделяя с характерным вскипанием углекислый газ. Растворимость кальцита в обычной воде ничтожно мала, однако он хорошо растворяется в воде, содержащей CO2. Последнее обстоятельство нужно учитывать при использовании строительного камня из пород, богатых СаСОз.

Магнезит и доломит. В природе углекислый магний, встречается в виде минерала магнезита (MgCO3) в составе одноименной породы. Как естественный строительный камень магнезит значения не имеет, он главным образом идет для изготовления огнеупорных изделий и для приготовления вяжущего вещества — каустического магнезита.

Доломит представляет по химическому составу двойную соль углекислых кальция и магния; формула его такова: CaCO3·MgCO3. Он встречается как в кристаллическом виде, так и в виде зернистых и, реже, землистых масс в составе породы с таким же названием. Применяется как и магнезит в производстве огнеупоров и для получения вяжущего вещества – каустического доломита.

Твердость магнезита и доломита примерно одинакова 3,5—4. Различают их по действию соляной кислоты. Магнезит не реагирует с соляной кислотой ни при каких условиях, а доломит реагирует, но плохо; при подогревании выделяет СО2. В горных породах кальцит и доломит сопутствуют друг другу в различных соотношениях.

Гипс и ангидрит. Природный гипс представляет собой водную сернокислую соль кальция CaSO4 ·2Н2О. Помимо гипса встречается безводная соль — CaSО4 , называемая ангидритом. Ни тот, ни другой как естественные камни, в строительстве не употребляются. Гипс может иногда являться цементирующим веществом в песчаниках. Главное применение гипса и ангидрита – получение гипсовых вяжущих веществ.

Каолинит. Каолинит (Al2O3 ·2SiO2 ·2Н2O) образуется при выветривании полевых шпатов и является главной составной частью многих глин. Чистый каолинит имеет белый цвет, землистый вид, на ощупь слегка жирен и легко рассыпается. Твердость 1.

Водный кремнезем. Минерал состава SiO2 в осадочных породах в отличие от магматических горных пород присутствует не только в кристаллическом состоянии (в виде кварца), но также и в аморфном виде, часто в соединении с водою (SiO2·nH2O); таков например опал, содержащий до нескольких процентов воды. Водный аморфный кремнезем слагает такие осадочные породы как диатомит и трепел, а также является очень прочным природным цементирующим веществом, заполняя промежутки между зернами песка (в песчаниках), и кальцита (в известняках).

Структура осадочных горных пород

Важнейшее значение имеют следующие виды структур.

• Зернисто-кристаллическая (мраморовидная), когда порода состоит из кристаллических зерен, ясно различимых простым глазом или под микроскопом. В зависимости от среднего диаметра составляющих породу зерен различают: мелко- (0,25-0,75 мм), средне- (0,75-1,25 мм), крупно- (1,25-2 мм) и грубозернистую структуру (2-3 мм).
• Плотная (иначе тонкозернистая), когда зерна трудноотличимы друг от друга даже под микроскопом. Условно к плотным относят породы зернисто-кристаллической структуры с величиной зерна менее 0,25 мм
• Оолитовая, когда порода состоит из круглых шариков радиально- концентрического сложения, сцементированных тем или иным естественным цементирующим веществом. Встречается у известняков, называемых в этом случае оолитовыми.
• Обломочная (кластическая), когда горная порода состоит из обломков минералов или горных пород, сцементированных тем или иным природным цементом. Такую структуру имеют песчаники, конгломераты и брекчии.
• Пенистая или туфовая – структура пористых горных пород и другие.

Рыхлые обломочные горные породы

В зависимости от размера частиц условно различают следующие рыхлые породы: глину (<0,005 мм), пыль (0,005-0,05 мм), песок (0,05-5 мм), щебень и гравий (>5 мм), булыжники и валуны (крупные камни).

Глины образуются в результате выветривания горных пород, богатых полевыми шпатами (гранита, сиенита, гнейса, порфира и т. д.) (См. также § 2, гл. 6).

Песок. Пески могут быть кварцевые, полевошпатовые, известковые, доломитовые и т. д.

Речной песок, морской и озерный пески, характеризуются округлой формой зерен и хорошо обточенной поверхностью. Горный и овражный пески имеют угловатую форму и шероховатую поверхность зерен.

Большие количества песка расходуются для приготовления строительных растворов и бетонов, в дорожном деле для устройства оснований дорог и приготовления асфальтобетона. Громадные количества песка потребляет железнодорожное строительство. Чисто кварцевые (без примесей) пески высоко ценятся и употребляются как сырье в стекольной, керамической и металлургической промышленности.

Гравий и щебень применяются в дорожном деле, в качестве балласта для железных дорог и как заполнитель для бетона.

Валуны употребляются в бетонном и дорожном деле для получения щебня. Издавна булыжный камень применяли для мощения улиц. Наиболее крупные валуны могут быть использованы в качестве штучного камня для построек.

СОСТАВ ЛАВЫ И ТИПЫ ВУЛКАНОВ

Состав лавы влияет на ее вязкость, что, в свою очередь, обуславливает характер вулканической активности. Лава основного состава достаточно жидкая. Она формирует потоки и покровы, а ее извержения проходят относительно спокойно. Кислая лава более вязкая, извержения обычно носят взрывной характер, что приводит к образованию фрагментированных пирокластовых пород, «палящих туч». От типа лавы зависит и ее минеральный состав, и то, какую именно вулканическую горную породу она образует. На фотографии вы видите вулканические бомбы и серу на горе Этна, Сицилия, Италия.

ЗНАЧЕНИЕ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ПОРОД

Снежный обсидиан

Вулканические горные породы имеют большое экономическое значение и используются в качестве сырья для стройматериалов: щебня, цемента и декоративно-поделочного камня. Кроме того, при вулканических процессах образуются залежи минералов, крайне интересных с точки зрения химии и металлургии (пирита, сфалерита, галенита), а также золота и серебра. Результатом вулканической деятельности является и обсидиан, стекловидная масса насыщенного черного, серого и белого цвета, считающаяся очень неплохим поделочным материалом и широко применяющаяся даже в ювелирном деле. Слева вы видите несколько образцов снежного обсидиана.

ТИПЫ ЛАВЫ

Лавы различаются по своему химическому составу, а точнее, по содержанию кремнезема (SiO2), и делятся на основные и кислые.

ОСНОВНЫЕ ЛАВЫ

Лавы, бедные кремнеземом, называются основными. Они отличаются высокой текучестью и образуют потоки длиной в несколько километров. Одной из особенностей данного типа лавы является равномерный и невзрывной характер извержения, что обусловлено низким содержанием растворенных в ней газов. Частые извержения основных лав наблюдаются на Гавайских островах, где располагаются вулканы Килауэа (на фотографии справа), Мауна-Лоа и другие

КИСЛЫЕ ЛАВЫ

Лавы с высоким содержанием кремнезема называют кислыми. Они обладают большой вязкостью и, как правило, отвердевают и накапливаются близ места выхода на поверхность и непосредственно в жерле вулкана, перекрывая его. Для них характерно высокое содержание растворенных газов, чем объясняется взрывной и зрелищный характер извержений. Извержения кислой лавы наблюдались на Везувии (Италия), Фудзияме (Япония) и Мон-Пеле (остров Мартиника). На фотографии слева запечатлено мощное извержение вулкана Сарычев на Курильских островах к северу от Японии, снятое с Международной космической станции.