«Принцы» и «нищие» в царстве минералов

Ошибка инженера Гарина

В фантастическом романе А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» талантливый изобретатель добывал золото и ртуть, соорудив гигантской глубины шахту, которая достигла слоя амальгамы (раствора золота в ртути). Писатель, предвосхитивший в этом романе изобретение лазеров, считал, что твердая оболочка Земли плавает на амальгаме.

Как же все-таки родились минералы? Миллиарды лет назад, когда Земля представляла собой расплавленную массу, химические элементы начали вступать друг с другом в реакции, образуя различные соединения в соответствии со своим химическим сродством, концентрацией, температурой расплавленной магмы, давлением.

Магма представляет собой огненно-жидкий силикатный расплав, содержащий различные химические элементы — их окислы, сульфиды и другие соединения, а также летучие компоненты — фтор, хлор, водяные пары, углекислый газ и пр. Если магма застывает в глубине земной коры под покровом вышележащих пород, процесс протекает медленно и образуются полнокристаллические зернистые породы. При поднятии магмы к поверхности Земли температура ее быстро падает, давление понижается до атмосферного и от магмы отделяются летучие компоненты. В процессе кристаллизации происходит перераспределение компонентов: образующиеся кристаллы удаляются из магматического очага — опускаются в более глубокие горизонты или всплывают в верхние.

Образование месторождений из магматического очага

Схема образования гидротермальных месторождений

Соединения более прочные и устойчивые, а также образовавшиеся из элементов, имеющихся в большом количестве, выкристаллизовались первыми. Они составили основную массу горных пород. По мере остывания магмы начинали кристаллизоваться и другие минералы, располагаясь между кристаллами основной породы, формируя в них причудливые прорастания, вкрапленности. В процессе образования минералов их кристаллическая решетка часто захватывала в качестве примесей несвойственные данному минералу элементы.

Тяжелые сульфиды железа (пирит и пирротин), меди (халькозин и халькопирит), свинца (галенит), мышьяка (арсенопирит), цинка (сфалерит), кристаллизуясь из расплавленной магмы, опускались вниз, создавая скопления, ставшие впоследствии полиметаллическими рудами. После затвердевания основной части магмы оставшиеся в пей жидкие соединения выжимались из твердой породы к периферии. Так рождались, например, окислы железа и хрома — руды черных металлов.

Когда рудные минералы кристаллизуются раньше силикатов, образуются раннемагматические месторождения, такие, как руды хрома и платиноидов Урала, алмазоносные кимберлиты Якутии. Если отделение рудного расплава от силикатного происходит в жидком состоянии (как в металлургической печи, как бы образуя шлак и штейп), то формируются ликвационные месторождения. К ним относятся медно-никелевые руды Кольского полуострова и Таймыра. Если расплав рудных минералов внедряется в уже застывшие силикаты, заполняя полости и трещины, образуются позднемагматические месторождения, такие, как апатито-нефелиновые на Кольском полуострове и титаиомагнетитовые на Урале.

Эта простая схема рождения руд часто нарушается потоками огнедышащей магмы, которые расплавляют уже застывшие породы, перемешивают их, приносят новые «порции» химических элементов, меняют температуру, а в связи с ней давление и другие условия образования минералов. Рядом со старыми возникают новые соединения, иногда за счет распада старых.

Но и прочно застывшую земную кору магма не оставляет в покое. Она раскалывает ее, врывается в трещины и иногда выплескивается на поверхность в виде лавы вулканов. Воздымания и опускания земной коры приводят к перемещению и перемешиванию горных пород и рудных тел. По трещинам земной коры горячая магма гонит пары и растворы. Они также несут различные элементы, образующие рудные жилы, линзы и т. п. Так рождаются руды, олова, вольфрама, молибдена, бериллия, лития, висмута, ртути, никеля и многие другие.

В соответствии с растворимостью компонентов в воде при различных значениях температуры и давления образуются гидротермальные месторождения. Существенное влияние на растворимость оказывают. кислотность (pH) раствора, присутствие солей, особенно NaCl и Na2CO3, а также коллоидные образования. Большинство металлов находится в растворах в виде сложных комплексных соединений.

Внутреннее давление растворов больше внешнего, и растворы движутся к поверхности Земли по различным тектоническим нарушениям — трещинам, зонам контактов. По мере удаления от магматического очага температура понижается и происходит выпадение минералов из гидротермальных растворов. Падение температуры, снижение давления, смена химических условий среды, ветрена гидротерм с подземными водами, реакции с вмещающими породами приводят к выделению минералов из водных растворов.

Высокотемпературные (500–300 °C) гидротермальные минеральные образования располагаются ближе к материнскому магматическому очагу. В телах магмы, внедрившейся в гранитный массив, — интрузиях — располагаются гидротермальные жилы с вольфрамитом, касситеритом, молибденитом, на контактах интрузий с вмещающими породами и даже проникая в них — жилы с сульфидами меди, никеля, свинца, цинка, серебра, затем сурьмы и ртути.

Среднетемпературные гидротермальные месторождения образуются при значениях температуры 300–200 °C на различных глубинах, а также в приповерхностных условиях. В рудообразовании принимают участие газы H2S, СО2, F. Эти месторождения имеют большое практическое значение. Из них добывают основную массу цветных металлов (медь, свинец, цинк), значительную часть молибдена и олова, большую часть золота и серебра, урановые руды, а также асбест, магнетит, горный хрусталь, значительную часть плавикового шпата.

Низкотемпературные гидротермальные месторождения образуются при значениях температуры 200–50 °C. Из этих месторождений добывают золото, серебро, ртуть, сурьму, исландский шпат, алунит и барит.

Изменчивы и многообразны процессы, происходящие в результате остывания магмы. Они создают тысячи видов минералов — от единичных драгоценных кристаллов аквамаринов и изумрудов до бесчисленных песчинок кварца. Но этим не заканчивается образование руд и минералов. На поверхности Земли ветер, вода, колебания температуры разрушают образовавшиеся в земной коре минералы и создают новые. Здесь идет «испытание» химических соединений на устойчивость к окислению, растворению, колебаниям температуры. Самые стойкие образуют россыпи. Благородное золото, окись титана (рутил), силикат циркония (циркон) вместе с песчинками кварца собираются в долинах рек и на берегах морей.

На дно морей и озер выпадают мел и известняк (минералы кальция), соли калия, натрия и магния, окислы железа, частички глины. Из них формируются руды солей, известняка, огнеупоров, железа и алюминия. Погребенные под слоем земли остатки растений и животных образуют пласты угля и нефти.

Все эти месторождения могут вновь опуститься в недра Земли и там подвергнуться новым воздействиям магмы, а могут подняться на вершины гор.