Вулканическое минералообразование

ВУЛКАНИЧЕСКОЕ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ

Лава вулканов представляет магму, поднявшуюся из глубин, по вулканическому кратеру или по трещинам и застывшую на поверхности земли. Среди лавы нередко встречаются в виде включений хорошо образованные кристаллы многих силикатов.

Кроме того, при поднятии лавы из глубин на поверхность земли, в область меньшего давления, растворенные в ней пары и газы освобождаются и бурными струями выбрасываются наружу.

Газообразные продукты вулканических извержений, главным образом водяной пар, СО2, H2S, SО2, НСl, HF и FeCl3, вступая в реакцию друг с другом и с газами атмосферы, дают начало различным минералам, отлагающимся в вулканических трещинах и по краям кратеров. Таким образом из H2S и SO2 получается сера, оседающая желтовато-белыми выцветами и кристаллами в трещинах застывшей лавы и по стенкам кратеров; при подобных же условиях из паров хлорного железа и воды образуется железный блеск Fe2O3.

Иногда такие выделения вулканов достигают довольно крупных размеров. Так, в 1817 г. в одной из трещин Везувия в течение 10 дней образовалась жила железного блеска до 1 м мощностью. Но по большей части эти месторождения не имеют практического значения, ввиду своих незначительных размеров.

Пегматитовая жила с разветвлениями

Рис. 41. Пегматитовая жила с разветвлениями

ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ В ЗОНЕ ВЫВЕТРИВАНИЯ (ГИПЕРГЕНЕЗ)

Наиболее мощными факторами химического разрушения магматических минералов, с одной стороны, и созидания новых минералов — гипергенных — с другой, являются вода, кислород и углекислота.

Для повышения концентрации тех или иных веществ весьма существенную роль играют коллоидные процессы и жизнедеятельность организмов (биохимические процессы).

МИНЕРАЛОНАКОПЛЕНИЕ ПРИ ПРОЦЕССАХ МЕХАНИЧЕСКОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ

Горные породы, выходящие на поверхность земли, постепенно разрушаются колебанием температуры, силой ветра и амосферных осадков и превращаются в кучи обломков, щебня и дресвы. Эти продукты разрушения уносятся текучими водами, отлагаясь у подножия горных склонов и далее в долинах рек и ручьев (рис. 42).

Разрушенные горные породы распадаются, таким образом, на составные части и сортируются водой по удельному весу и по величине зерен. Так как одновременно идут процессы химического выветривания, то неизменными остаются только устойчивые минералы, обладающие достаточной твердостью и малой растворимостью в природной воде.

Таким образом, процесс механического разрушения пород сопровождается разделением минеральных ассоциаций на составляющие минералы и дальнейшим разделением их, по устойчивости, твердости, удельному весу и размерам зерен. За счет этих процессов идет концентрация отдельных определенных минералов, что приводит к обогащению некоторых участков тем или иным минералом, часто практически важным.

Так, в руслах рек и речек образуются вторичные скопления минералов, пески и россыпи. Преобладающим минералом в них чаще всего является кварц, вместе с ним встречаются зерна полевых шпатов и других минералов. Нередко, однако, россыпи содержат ряд ценных минералов: самородного золота, платины,

Схематический разрез разрушающейся золотоносной кварцевой жилы

Рис. 42. Схематический разрез разрушающейся золотоносной кварцевой жилы:
1—гранит; 2—делювии; 3—золотоносная жила; 4—разрушенная жила

алмазов, оловянного камня, вольфрамита, циркона, монацита и др. Эти россыпи имеют огромное практическое значение, превосходящее иногда значение коренных месторождений соответствующих минералов.

МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ ПРИ ПРОЦЕССАХ  ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

Наряду с механическим выветриванием идут и процессы химического изменения разрушающихся горных пород. Главным деятелем при этом является природная вода, действующая как универсальный растворитель. Он всегда содержит некоторые количества углекислого газа и кислорода, которые значительно повышают ее растворяющую способность.

При химическом выветривании полевые шпаты и многие другие алюмосиликаты переходят в каолин и глины. Кварц частью выделяется в виде песка, частью переходит в растворимое состояние. Соли Fe, К, Na, Са и отчасти Mg растворяются и уносятся текучими водами. Часть солей Mg входит в состав образующихся в зоне выветривания устойчивых карбонатов — магнезита и доломита.

Несмотря на то что при этом переходят в растворимое состояние и уносятся природными водами соединения щелочных, щелочноземельных элементов и отчасти железа, общий объем продуктов химического выветривания благодаря присоединению воды и более рыхлой (пористой) их структуре увеличивается в среднем на 30% по сравнению с объемом первоначальной изверженной горной породы.

Познакомимся теперь с важнейшими минералообразующими процессами и минералами зоны выветривания.

Процессы каолинизации. Как упомянуто выше, каолин и глины являются продуктами выветривания полевых шпатов и других алюмосиликатов.

Реакции идут в схеме примерно так:

2KAlSi3О8 + СО2 + 2Н2О = Al2(ОН)4 (Si2O5) + K2CO3 + 4SiO2.

ортоклаз                                   каолин

В состав глин, кроме каолина, входят, как механическая примесь, водные и безводные окислы железа и алюминия; кремнезем, а также углекислый кальций и в небольшом количестве ряд сложных водных и безводных вторичных силикатов.

Процессы латеритизации и бокситизации

Латеритом и бокситами называют продукты выветривания разнообразных алюмоси-ликатных пород в условиях жаркого, но не очень влажного климата; латерит образуется в огромных количествах и в настоящее время, представляя обычную почву тропических стран, покрывающую почти четвертую часть всех материков.

Латерит, как и боксит, состоит главным образом из гидратов

окиси алюминия, окрашенных окислами железа в красновато-бурый или даже тёмнокрасный цвет, причем кремнезема в нем очень мало или нет совершенно.

Процессы бокситизации

С процессами латеритизации, происходившими также и в прежние геологические периоды, тесно связано образование бокситов — важнейшей промышленной руды на алюминий.

Боквиты отличаются от латеритов главным образом более низким содержанием окиси железа, количество которой, однако, колеблется в широких пределах — от 0,1 до 20% и более.

При бокситизации горных пород переходят в раствор и уносятся природными водами основания, фосфорная кислота и большее или меньшее количество кремнезема, содержание которого в боксите часто понижается до 1—4%.

Главными составными частями бокситов являются гидраты окиси алюминия, представленные в одних случаях диаспорой АlO(ОН), в других — гидраргиллитом А1(ОН)3 или тем и другим одновременно, обычно с примесью незначительных количеств каолина и большего или меньшего количества окиси железа в виде маловодных гидратов Fe2O3. Иногда примешан кварц и другие минералы.

Процессы бокситизации нередко идут при деятельном участии углекислого газа, растворенного в грунтовых водах.

Существенную роль в изучении процессов бокситизации и отложения боксита сыграли исследования А. Д. Архангельского и его сотрудников, приведшие к открытию крупных залежей боксита в различных частях СССР.

МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ В РАЗРУШАЮЩИХСЯ РУДНЫХ ЖИЛАХ

Рудные жилы, вскрытые процессами эрозии и выходящие на земную поверхность, также подвергаются процессам выветривания. Колебания температуры, вода, замерзающая в трещинах, и корни растений механически разрушают как окружающие горные породы, так и тело самой рудной жилы. Проникающие по трещинам грунтовые воды, богатые растворенным кислородом, углекислотой и органическими веществами, являются главным деятелем, производящим химическое разрушение.

Рудные минералы в таких жилах состоят по преимуществу из сернистых соединений, в связи с чем процессы их химической переработки идут обычно более интенсивно, чем разрушение окружающих горных пород, и вызывают образование ряда новых вторичных рудных минералов. Это приводит часто к перераспределению в рудной жиле металлов, что имеет иногда большое экономическое значение.

Под влиянием выветривания горные породы и заключенные в них руды превращаются в сочетания минералов, наиболее устойчивых в поверхностных условиях; постепенно образуются более или менее рыхлые массы измененных горных пород— глин, песка, бурого железняка и труднорастворимых на поверхности углекислых, сернокислых и кремнекислых соединений меди, цинка, свинца и других металлов, а также самородных элементов — золота, серебра и меди.

Эта верхняя часть разрушающейся рудной жилы носит название зоны окисления и имеет различную мощность в зависимости от климата, количества атмосферных осадков, уровня грунтовых вод, водопроницаемости пород, рельефа местности и в особенности от первоначального состава минералов рудной жилы.

Часто зона окисления бывает окрашена в желто-бурый или красно-бурый цвет, вызванный окислами железа, и поэтому носит название железной шляпы. Иногда она настолько богата железом, что ее разрабатывали в качестве железной руды, например, во многих местах Урала.

Ход процессов изменения важнейших рудных минералов в зоне окисления представлен, в следующих схемах.

1. ZnS + 2O2 = ZnSO4; ZnSO4 + СаСO3 = ZnCO3 + CaSO4

                                                                     смитсонит

4 ZnSO4 + 6H2O + 2SiO2 = Zn4(OH2) [Si2O7] · H2O + 4 H2SO4

                                                       каламин

2. PbS + 2O2 = PbSO4; PbSO4 + CO2 + H2O = PbCO3 + H2SO4

                    англезит                                        церуссит

3. Sb2S3 + 6O2 + 3H2O = Sb2O3 + 3H2SO4

4. CuFeS2 + 4O2 = CuSO4 + FeSO4; 2CuSO4 + 2CaCO3 +H2O =

= Cu(OH)2 CuCO3 + 2 CaSO4 + CO2.

малахит

Кроме того, при окислении медного колчедана получается железный купорос FeSO4, а конечным продуктом является лимонит.

При окислении пирита и пирротина (магнитного колчедана), которые содержат серы больше, чем ее нужно для образования сульфида двухвалентного железа; получается свободная серная кислота:

FeS2 + Н2O +7O = FeSO4 + H2SO4

пирит

Fe7S8 + Н2O + 31 О = 7 FeSO4 + H2SO4.

пирротин

Конечным продуктом окисления железа, входящего в пирит и пирротин, является опять-таки л и м о п и т.

Если в состав сульфидных минералов входили золото или серебро, они в зоне окисления обычно выделяются в самородном состоянии, как иногда выделяется и медь.

В этих же условиях возникают скопления окисленных минералов или агрегатов, нередко коллоидного характера и сложного состава. Они, обычно, землисты и нередко окрашены в яркие цвета. Подобные образования называют охрами. Они нередко сами являются рудами, а иногда представляют собой важные указания на содержание в данном месторождении интересных в практическом отношении элементов. В этом случае они являются хорошими поисковыми признаками и помогают отысканию различных руд. Как пример, можно привести минерал ту н гстит, имеющий состав WO3 · nH2O и образующийся в зонах окисления вольфрамовых руд. Его охристые агрегаты окрашены в канареечно-желтый цвет и сопровождают все месторождения вольфрамовых руд.

В сходных условиях могут возникнуть и более сложные по составу минералы, являющиеся также важными поисковыми признаками при поисках месторождений урана. Они обычно также ярко окрашены и несколько напоминают слюду. Их объединяют в группу урановых слюдок. Наиболее типичны торбернит CuU2(PО4)2О4 · 12Н2О изумрудно-зеленого и карнотит K2U2(VО4)2О43H2О яркожелтого цвета.

В более глубоких слоях разрушающейся рудной жилы вертикальное движение грунтовых вод, притекающих по трещинам сверху, замедляется и, наконец, ниже гидростатического горизонта сменяется медленным движением в горизонтальном направлении, благодаря чему достигается наиболее длительное соприкосновение между минералами и водой. Кроме того, грунтовые воды в этой зоне почти лишены кислорода и углекислоты, израсходованных на образование карбонатов и окислов в зоне окисления, и могут содержать свободную серную кислоту и медный купорос, получающиеся в качестве побочных продуктов в зоне железной шля-п ы (см. выше).

Эти растворенные вещества, реагируя с сульфидами, дают вторичные руды, типичные для меднорудных жил. Реакции идут примерно так:

ZnS + CuSО4 = CuS + ZnSО 

цинкова    ковеллин

обманка

CuFeS2 + CuSО4 = 2CuS + FeSО4

халькопирит   ковеллин

5FeS2+ 14CuSО4 + 12H2О = 7Cu2S+5FeSО4 + 12H24

пирит                                халькозин           серная кислота

Вторичная зональность в разрушающееся меднорудной жиле

Рис. 43. Вторичная зональность в разрушающееся меднорудной жиле (по оригинальному рисунку В. В. Критского)

Подобным же образом из медного колчедана получаются медный блеск Cu2S и, реже, борнит Cu5FeS4 (5Cu2S · Fe2S3).

Зона образования этих вторичных руд носит название зоны цементации (по характеру реакции) или зоны вторичного обогащения, так как вторичные сульфиды содержат гораздо больше меди, чем исходный материал—халькопирит.

Общая схема описанных выше процессов, вызывающих перераспределение меди в разрушающейся рудной жиле и местное обогащение медью отдельных зон, представлена на рис. 43. Для простоты взята кварцевая жила с медистым пиритом и халькопиритом в зоне первичных руд. Содержание меди условно показано точками. Чем гуще точки, тем больше содержание меди, которое достигает максимума в богатой окисленной зоне.

Таким образом в результате процессов окисления и цементации (вторичного обогащения) медь, выщелоченная из первичных сульфидов, выделяется в богатой окисленной зоне и в зоне цементации.

Процессы вторичного обогащения имеют особенно важное значение для так называемых медных порфировых руд — рассеянных руд, представляющих вкрапления сернистых медных минералов (чаще всего халькопирита и борнита), более или менее густо распределенных в толщах горных пород и получивших за последние 10—15 лет крупное промышленное значение.

Среднее содержание меди в медных порфировых рудах обычно небольшое, часто не выше 1—2%, и они являются выгодными только благодаря значительным запасам и возможности их обогащения. Во многих месторождениях этого типа указанное выше содержание меди приурочено главным образом в зоне цементации, тогда как зона первичных руд слишком бедна медью.

Главным промышленным минералом зоны цементации является обычно халькозин.