Минералы и породы, процесс образования и круговорот минералов в природе
Долгие годы геологи-съемщики изучают километр за километром все скальные выходы, щебенку вдоль ручьев, не обходя ни вывороченные пни, ни высыпки возле звериных нор. Все места, где встретились коренные выходы, тщательно наносят на топографическую карту: какие именно породы, как они наклонены - под каким углом и в какую сторону. Только тогда можно представить, как в целом залегают в данном участке земной коры пласты различных горных пород. Это не так-то просто - ведь пласты нередко сдвинуты, смяты в складки, подчас разорваны в местах колоссальных напряжений земной коры, возникающих при образовании гор. Такие места - самое интересное для геологов: по приоткрытым трещинам, по слабым от растяжения зонам могли проникнуть из глубины недр языки магматического расплава, горячие растворы, несущие металлы. Именно в подобных зонах могут возникнуть рудные тела с вкрапленностью нужного нам минерала.
4500 миллионов лет назад Земля представляла собой шар, состоящий из раскаленных газов. Постепенно тяжелые металлы опускались к центру и уплотнялись. Легкие породы и минералы всплывали на поверхность, охлаждались и отвердевали. Тяжелые металлы, такие, как железо и никель, опускались к центру Земли. Из газов образовалась атмосфера и вода.
Если бы вы могли пройти сквозь толщу Земли, вы обнаружили бы три слоя: в центре - ядро, затем мантию, окружающую его, и твердую наружную оболочку, называемую земной корой. Ядро делится на два слоя. Внутреннее ядро состоит из твердых железа и никеля, а наружное - из тех же металлов, но в жидком (расплавленном) состоянии. Мантия состоит из горных пород. Верхняя ее часть, называемая магмой, - это породы в полужидком состоянии.
Земная кора (литосфера) - это твердый и наиболее тонкий из слоев Земли, который плавает на полужидкой магме. Радиус Земного шара составляет 6371 км. Если представить себе, что Земля имеет размер теннисного мяча, то земная кора окажется тоньше почтовой марки, наклеенной на мяч. Земная кора состоит из отдельных цельных фрагментов, называемых литосферными плитами. Плиты плавают в полужидкой верхней части мантии.
Имеется два разных типа коры. Мощная континентальная кора образует континенты, а гораздо более тонкая океаническая кора покрывает дно океана. Континентальная кора в основном состоит из гранита, который является легкой горной породой. А тонкая океаническая кора состоит из плотных базальтовых пород. Континентальная кора имеет толщину 20-65 км (0,31% - 1,02% от радиуса). Толщина земной коры на дне океана равна всего 5-10 км (только 0,07% - 0,16% от радиуса планеты).
Что такое вулкан? Всего в мире имеется около 600 действующих или спящих вулканов. Большая часть из них находится в слабых точках вдоль границ литосферных плит, где раскаленная докрасна магма поднимается из недр Земли и периодически вырывается на поверхность планеты через жерла вулканов или разломы.
Типичный действующий или спящий вулкан представляет собой холм с проходящей сквозь его толщу магматической трубой, называемой жерлом вулкана, и с магматическим очагом (расширяющейся областью скопления магмы внизу у основания вулкана), из которого поднимается довольно узкое жерло. Кроме жерла, от магматического очага могут отходить в стороны небольшие каналы с магмой, называемые силями и дайками (образуются в местах напряжений и разрывов прилегающих к магматическому очагу окружающих пород). А через небольшие трещины в породах могут просачиваться ядовитые газы и испарения от магмы.
Когда в магматическом очаге создается очень высокое давление, вверх по жерлу поднимается и выбрасывается в воздух смесь магмы и твердых камней - лава. Это явление называется извержением вулкана. Если лава очень густая, она может застыть в жерле вулкана, образовав пробку. Но огромное давление снизу взрывает пробку, вызывая сильные землятресения и извергая высоко в воздух большие глыбы раскаленных пород, называемые вулканическими бомбами.
После каждого извержения вулкана лава застывает на поверхности в виде твердой корки. По мере накопления этих твердых слоев вулкан постепенно растет. Густая лава быстро остывает и затвердевает на вулканическом холме, и потому его склоны очень крутые. Такие вулканы называются коническими вулканами. Более жидкая лава, пока не затвердела, успевает растечься гораздо дальше, поэтому она образует вулканы с пологими склонами, так называемые щитовые вулканы.
Вулканы, которые извергаются регулярно, называются действующими вулканами. А те, которые больше никогда не извергнутся, называются потухшими. Часто бывает нелегко сказать, потухший вулкан или спящий. Например, в 1973 году произошло неожиданное извержение вулкана на острове Хеймаэй, рядом с Исландией, в результате которого было разрушено 300 зданий. Этот вулкан не извергался уже 5000 лет, поэтому его считали потухшим. Самым известным спящим вулканом оказался Везувий, у подножия которого во время извержения оказался погребен под пеплом и погиб древний город Помпеи.
Многие вулканы находятся на морском дне. Некоторые из них вырастают настолько большими, что поднимаются над поверхностью моря, как новые острова. Исландия представляет собой большой вулканический остров. Он продолжает формироваться и расти с каждым новым извержением.
Земная кора состоит из горных пород. Многие из них существуют миллионы лет, но и в наши дни продолжают постоянно возникать и формироваться новые горные породы. Этот процесс не останавливается ни на мгновение. Существует три категории горных пород: осадочные, метаморфические и вулканические.
Осадочные породы образуются из фрагментов различных пород, растений и животных, которые смываются водой или сдуваются ветром с суши. Эти фрагменты (органического и неорганического происхождения) оседают, как правило, на морском дне. По мере образования слоев более глубоко лежащие осадки сильно сдавливаются и постепенно превращаются в твердые породы.
Мел образуется из раковин мелких морских животных.
Глинистый сланец - это окаменевшая грязь или ил.
Песчаник состоит из мелких фрагментов различных горных пород.
Метаморфические породы - это породы, которые образовались под действием высоких температур или давления. Они могут нагреваться из-за расположенного вблизи магматического очага или сдавливаться вследствие движений литосферных плит и внутри земной коры. При этом некоторые породы становятся очень твердыми, а другие преобразуются в хрупкие слои.
Мрамор - это твердая метаморфическая порода, образовавшаяся из мела.
Шиферный сланец - это слоистая метаморфическая порода, образовавшаяся из глинистого сланца.
Вулканические породы образуются тогда, когда магма, возникшая в недрах Земли, охлаждается и затвердевает у поверхности. Если это происходит под землей, породы называются интрузивными вулканическими породами. Если же магма извергается з жерла вулканов и застывает на поверхности, то получившиеся при этом породы называются экструзивными вулканическими породами.
Гранит - это самая распространенная интрузивная вулканическая порода.
Базальт - известная экструзивная вулканическая порода.
Основные элементы, из которых состоят горные породы, называются минералами. Некоторые породы состоят из одного минерала, но в состав большинства из них входит два или более минералов. Гранит, к примеру, состоит из кварца, слюды и полевого шпата. Если вы посмотрите на кусочек горной породы через лупу, то сможете разглядеть отдельные фрагменты и различить минералы, из которых она состоит. Еще одной породой аналогичного типа является лабрадорит, также содержащий как элемент ирризирующий полевой шпат. Некоторые породы состоят из основного минерала, который содержит включения других минералов (например, тигровый или соколиный глаз, рутиловый кварц и др.). В таком случае говорят, что минералы ассоциируют друг с другом, образуя единое и нераздельное целое.
Внутри горных пород формируются чистые минералы, тут можно найти полезные минералы в чистом виде, без примесей. Как правило, они имеют вид бесформенных образований и точечных вкраплений, но часто, собираясь в трещинах или пустотах, образуют жилы (например, опалы, бирюза, малахит). Если места достаточно, некоторые минералы образуют красивые остроугольные кристаллы (кварцы, флюорит, бериллы). Кристаллы различных минералов выглядят совершенно по-разному и имеют различную форму. На поверхности земной коры минералы в чистом виде встречаются в местах обнажения, разрушения и выхода на поверхность различных минеральных жил и слоев.
Добыча полезных ископаемых - горных пород и минералов - необходима промышленности. Такая добыча связана с разработкой рудников, шахт и бурением скважин в земной коре. Горные породы и минералы - это одни из самых ценных видов сырья. Под земной корой скрыто множество разнообразных горных пород и минералов, необходимых нам во всех областях жизни.
Некоторые породы являются источниками энергии. Уголь, нефть и природный газ - все это ископаемое горючее. Уран - это ядерное топливо. Внутри горных пород иногда находят драгоценные камни. Многие из них очень редкие и дорогие. Прежде чем они станут украшениями, их гранят и полируют. Многие горные породы используются как строительные материалы. Песчанику, например, даже не требуется предварительная обработка, его только распиливают. Другие породы нужны для создания необходимых строительных материалов: например, известняк и мел требуются при изготовлении цемента. Металлы редко обнаруживают в чистом виде, гораздо чаще в руде, то есть вкрапленными в другие горные породы. Отделяют металлы от пород, нагревая их в специальных печах. Этот процесс носит название плавки.
Что такое окаменелости? Внутри некоторых горных пород иногда находят окаменелости. Это формы растений или некогда живых существ, сохранившиеся в окаменелом виде. Окаменелости образуются тогда, когда осадки пород падают на погибшие растения и погибших животных и превращаются в горные породы, расположенные вокруг них. Растение или животное может сохраниться в целом виде внутри горной породы, но, как правило, оно разлагается, и пространство, которое оно занимало, постепенно заполняется минералами. Окаменелости рассказывают нам о том, какие формы жизни существовали на Земле миллионы лет назад, это своеобразная иллюстрированная история нашей планеты. Одними из классических окаменелостей являются аммониты - раковины ископаемых моллюсков, напитанные различными минералами.
Породы, подобные известняку, содержащему минерал кальцит (известняковый шпат), легко растворяются. Дожди, почвенные воды, ручейки, просачиваясь вниз через известняк, могут образовать в нем подземные полости, пещеры (так называемые карстовые образования). Трещины на поверхности породы в результате эрозии превращаются в широкие щели. Массивные блоки образуют ряды плит, похожих на плиты тротуара. Такое образование называют известняковой мостовой.
Некоторые породы являются проницаемыми, это означает, что в них имеются трещины, через которые может проникать вода. В пористых породах имеются крошечные емкости (поры), которые заполняются водой. Породы, которые пропускают сквозь себя воду, называются водопроницаемыми. А те, что не пропускают воду, называются водонепроницаемыми. Песчаник является пористой породой. Известняк - проницаемая порода. Глина - водонепроницая порода.
Ландшафт подвергся выветриванию, оставляя лишь небольшие фрагменты.
Когда старые горные породы в ландшафте выветрились, их отложения способствовали образованию новых. Это показывает, что горные породы постоянно обновляются. Новые осадочные породы могут оставаться погребенными миллионы лет. За это время они подвергаются нагреванию или сдавливанию, образовывая при этом метаморфические породы, или могут расплавиться и затем, остыв, образовать вулканические породы. Рано или поздно движения земной коры снова поднимут эти породы на поверхность и все начнется сначала.
Ландшафтные горные породы постоянно разрушаются под воздействием дождей и перепадов температуры. Этот процесс называется выветриванием, или эрозией.
Существует два типа эрозии. Эрозия первого типа, называемая механической эрозией, происходит в тех случаях, когда в трещины породы попадает вода и замерзает в них. При замерзании вода расширяется и постепенно разламывает породу.
Эрозия другого типа называется химической эрозией. Она обусловлена дождевой или почвенной водами, которые являются слабыми кислотами. Поверхность горной породы разрушается в результате химической реакции, когда вода стекает по поверхности. Одни породы разрушаются гораздо легче, чем другие. Это зависит от того, из каких минералов они состоят. Кроме того, породы с большим количеством трещин эрозируют быстрее, поскольку имеется много мест, где вода и мороз могут совершать свое разрушительное дело.
Слои горной породы отшелушиваются тонкими ломтиками. Это называется расслаиванием.
Вода просачивается через трещины и растворяет породу. При дальнейшем поверхность покрывается отдельными крупинками размером с песчинки. Постепенно песок дробится на еще меньшие частицы. Эти частицы становятся все меньше, меньше и меньше...
Почва содержит частицы выветрившихся пород, расположенных под ней, таких как глина, песок и минералы, например кальций и магний. Они перемешаны с перегнившими остатками организмов растений и животных, воздухом и водой. Если вы будете глубоко копать землю до горной породы, то обнаружите, что почва состоит из нескольких слоев, или горизонтов.
Поверхностный слой, в котором находятся сгнившие или разложившиеся останки растений и животных, называется гумусом. Верхний слой почвы, гумус, разложился и смешался с минералами из породы, находится сверху. Подпочва состоит главным образом из выветренной породы и небольшого количества растительного материала. Невыветренная порода, называемая коренной, или материнской породой, находится ниже.
Различные виды горных пород выветриваются с разной скоростью. Иногда бывает возможно определить виды горных пород в природе, изучив, каким образом они выветрились и во что при этом превратились.
Вулканические породы, вроде гранита, будучи очень твердыми, разрушаются крайне медленно. Окружающие их более слабые (а особенно мягкие осадочные) породы выветриваются намного быстрее. Бывает, что в местах расположения древних давным-давно застывших и потухших вулканов под открытым небом стоят затвердевшие магматические очаги, называемые батолитами, в виде огромных естественных курганов. Все остальные породы уже выветрились. Сили и дайки возвышаются рядом как горные хребты, а нагромождения плоских гранитных валунов, называемые пиками (остатки разрушевшегося от времени магматического жерла вулкана), остаются стоять как истуканы на вершинах этих нерукотворных холмов и курганов.
Зона тундры. Земли тундры вокруг северной ледяной шапки остаются промерзшими девять месяцев в году. За три летних месяца (май, июнь, июль) успевает оттаять только тонкий верхний слой. Земля, лежащая чуть глубже, так и остается промерзшей. Этот слой называется вечной мерзлотой. Растаявший снег не может просочиться сквозь вечную мерзлоту, поэтому летом поверхность тундры становится болотистой.
Когда кристаллы льда в земле тают, почва как бы сжимается, оседает. А когда земля промерзает вновь, она опять расширяется. Из-за бесконечно повторяющихся этих процессов на поверхности тундры образуется своеобразный угловатый рисунок, его называют полигональными образованиями. Растительность тундры - это мхи, лишайники, кустарники и стелющиеся растения. Вечная мерзлота находится под поверхностью и тонким слоем почвы. В вечной мерзлоте очень хорошо сохраняется все, что было фактически законсервировано заполярным холодом (как в естественной морозильной камере).
