Химические горные породы: что это такое и как они образуются

Химические горные породы - удивительное явление природы. В отличие от обычных осадочных и магматических пород, они образуются в результате сложных химических реакций глубоко под землей. Такие породы отличаются необычным составом и яркой расцветкой, и их изучение помогает геологам воссоздать процессы, происходившие в недрах нашей планеты миллионы лет назад.

В этой статье мы разберем, при каких условиях возникают химические горные породы, какие минералы в них содержатся и почему они так важны для понимания геологической истории Земли.

Уникальные условия для образования

Химические горные породы образуются при особых геологических условиях, отличающихся от условий формирования большинства изверженных и осадочных пород. Для их формирования необходимы экстремально высокие температуры и давление, а также наличие щелочей и других химически активных компонентов.

Такие условия могут реализоваться в глубоких горячих зонах Земли, где происходит взаимодействие магматического расплава с окружающими породами. Химические реакции приводят к образованию нехарактерных минералов и сложных силикатов. Кроме того, химические породы часто обогащены редкими и рассеянными элементами.

Также благоприятные условия могут возникать в местах глубинных разломов земной коры, где циркулируют горячие щелочные флюиды. Взаимодействие с вмещающими породами приводит к метасоматическим изменениям и образованию уникальных текстур и структур. Химические породы являются индикаторами таких геодинамических процессов в недрах.

Необычный минеральный состав

Химические горные породы отличаются уникальным и нехарактерным минеральным составом. В них присутствуют минералы, редко встречающиеся в других типах пород.

Так, для химических пород типичны сложные силикаты, такие как мирмекит, калиевый полевой шпат, альбит. Встречаются редкие фосфаты, бораты, сульфаты, оксиды и силикаты Ti, Zr, Nb и других элементов. Характерно наличие акцессорных минералов с высоким содержанием U, Th, TR и других редкоземельных элементов.

Необычный минеральный набор химических горных пород отражает уникальные физико-химические условия их формирования. Изучение этих минералов позволяет реконструировать процессы минералообразования на больших глубинах земной коры и верхней мантии, где образуются химические породы.

Значение для геологии

Химические горные породы имеют большое значение для различных разделов геологии благодаря своим уникальным особенностям.

В петрологии они позволяют изучать процессы минералообразования и эволюцию магматических систем на больших глубинах, недоступных для прямого наблюдения. Анализируя состав химических пород, ученые получают данные о физико-химических параметрах мантии Земли.

Для литологии химические породы представляют интерес как результат взаимодействия магматических и осадочных процессов. Изучение их текстур и структур позволяет понять механизмы метасоматических преобразований пород.

В геохимии химические породы служат источником данных о рассеянных и редкоземельных элементах, поступающих из мантии. Они концентрируют U, Th, TR и другие полезные элементы, что важно для рудной геологии.

Для минералогии химические породы интересны наличием редких и необычных минералов. Их изучение позволяет установить новые минеральные виды и разновидности.

В геодинамике химические породы являются индикаторами глубинных тектонических процессов, таких как движение флюидов по разломам. Анализ их состава и возраста помогает восстановить геологическую историю регионов.

Как определить химическую породу

Для определения химической горной породы необходим комплексный подход, включающий полевые наблюдения, анализ внешнего облика, изучение под микроскопом и химический анализ.

При полевом изучении отмечаются нехарактерная текстура и структура породы, наличие прожилков, а также яркая и пестрая цветовая гамма, не свойственная большинству магматических пород.

Под микроскопом в химических породах обнаруживают необычные ассоциации минералов, часто с вкрапленностью и графическими срастаниями. Отмечается присутствие редких минералов и минералов-индикаторов высоких давлений и температур.

Для определения точного минерального и химического состава проводятся аналитические исследования. Методы рентгеновской дифракции и спектрального анализа позволяют выявить наличие нехарактерных элементов и фаз.

Комплексное изучение породы помогает достоверно установить ее генетическую принадлежность к химическим горным породам, сформировавшимся в необычных геологических условиях.

Условия высокого давления

Одним из определяющих факторов при формировании химических горных пород являются экстремально высокие давления. Они характерны для недр земной коры и верхней мантии.

Давление на глубине 30-50 км может достигать 1,0-1,5 ГПа, а на глубине 100-200 км - 3-5 ГПа. Такие условия кардинально меняют физико-химические свойства вещества, влияют на температуры плавления и кристаллизации, растворимость компонентов.

Высокие давления способствуют образованию более плотных минеральных фаз, переходу минералов в новые кристаллические модификации. В «химических» породах присутствуют индикаторные минералы высоких давлений - алмаз, коэсит, стишовит.

Кроме того, давление влияет на химические реакции, изменяя их скорость и направление. При высоких Р-Т параметрах возможны реакции с образованием сложных и неустойчивых фаз.

Таким образом, экстремально высокое давление является одним из ключевых факторов, определяющих уникальный минеральный состав химических горных пород и их отличия от других типов пород.

Присутствие щелочей

Еще одним важным фактором образования химических горных пород является наличие щелочей - элементов натрия, калия, рубидия и цезия. Их повышенные концентрации резко меняют химические свойства системы.

Щелочи значительно снижают температуры плавления горных пород и минералов, что приводит к возникновению расплавов в условиях, нехарактерных для большинства магм. Кроме того, щелочи повышают подвижность кремнезема.

Наличие щелочей ведет к образованию специфических минералов - санидина, анортоклаза, нефелина и других, редко встречающихся в природе. Происходит кристаллизация сложных щелочных алюмосиликатов.

Источниками щелочей могут быть мантийные флюиды и расплавы, обогащенные летучими компонентами. Также щелочи поступают в результате взаимодействия магм с вмещающими породами по разломам и зонам скольжения.

Таким образом, повышенные концентрации щелочных элементов являются важной предпосылкой для формирования химических пород с нехарактерным минеральным составом.

Нехарактерные минералы

Химические горные породы содержат целый ряд необычных и редких минералов, нехарактерных для большинства магматических пород.

К таким минералам относятся, прежде всего, сложные силикаты - мирмекит, лейцит, мелилит, акмит, жадеит. Они кристаллизуются из расплавов при высоких температурах и давлениях, часто в присутствии щелочей и летучих компонентов.

Еще одну группу составляют редкоземельные и радиоактивные минералы, такие как монацит, ксенотим, цирконолит, уранинит. Они концентрируют U, Th, TR и другие рассеянные элементы.

В химических породах присутствуют необычные оксиды и силикаты Nb, Ti, Zr - рутил, ильменит, бадделеит, циркон. Встречаются бораты, фосфаты, ванадаты, ниобаты.

Из акцессорных минералов характерны алмаз, коэсит, стишовит - индикаторы высоких давлений. Присутствуют самородные металлы - железо, медь, серебро.

Таким образом, уникальный минеральный состав химических пород, нехарактерный для других типов пород, отражает экстремальные условия их формирования в глубинных зонах Земли.

Сложные силикаты

Сложные силикаты, такие как полевые шпаты, слюды и амфиболы, являются важными породообразующими минералами в химических горных породах. Они отличаются сложным химическим составом и структурой. Полевые шпаты включают минералы группы плагиоклаза и калиевые полевые шпаты. Плагиоклазы представляют собой твердые растворы между альбитом и анортитом. Калиевые полевые шпаты включают ортоклаз, микроклин и санидин. Слюды включают мусковит, флогопит, биотит и лепидолит. Они имеют слоистую структуру и способность к совершенной спайности. Амфиболы представлены роговой обманкой, тремолитом, актинолитом и другими. Они кристаллизуются в моноклинной сингонии и обладают спайностью.

Минералы этих групп характеризуются сложным химическим составом, включающим кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий, натрий и другие элементы. Их кристаллические решетки весьма разнообразны и определяют многие физические свойства. Сложные силикаты играют ключевую роль в петрогенезисе магматических и метаморфических горных пород.

Редкие элементы

Химические горные породы часто содержат необычно высокие концентрации редких химических элементов, таких как литий, бериллий, скандий, цирконий, ниобий, тантал, цезий, рутений, рений и другие. Это обусловлено уникальными условиями их образования, приводящими к концентрированию таких элементов.

К примеру, в пегматитах часто присутствуют повышенные содержания лития, бериллия, ниобия, тантала, цезия и др. Это связано с тем, что при кристаллизационной дифференциации магмы эти элементы концентрируются в остаточных флюидах, из которых затем образуются пегматиты. Также в карбонатитах нередко отмечаются аномальные количества ниобия, тантала, тория, урана, редкоземельных элементов.

Какие именно редкие элементы присутствуют в «химических породах», зависит от их генезиса. Например, щелочные породы, образовавшиеся в результате метасоматоза, часто обогащены литием, цезием, рубидием. Лампроиты содержат повышенные концентрации ниобия, тантала, циркония и редкоземельных элементов. Габброиды Кольского полуострова имеют аномальные количества платиноидов. Таким образом, изучение редкоземельного состава дает ключ к пониманию процессов образования этих необычных пород.

Таким образом, изучение редкоземельных элементов в химических горных породах имеет большое значение для понимания их генезиса и для поиска месторождений редкоземельных и редких металлов.

Яркая цветовая гамма

Одной из наиболее характерных особенностей многих химических горных пород является их яркая, порой даже пестрая цветовая гамма. Это отличает их от традиционных магматических пород - гранитов, базальтов, габбро и др., которые обычно имеют серые, черные или коричневатые цвета.

Такое разнообразие окраски обусловлено, прежде всего, наличием в их составе различных химических элементов-хромофоров, придающих породам яркую окраску. К наиболее распространенным хромофорам относятся железо, марганец, титан, ванадий, хром. В зависимости от преобладающего хромофора и его валентного состояния, породы могут приобретать красные, желтые, зеленые, синие, фиолетовые и другие цвета.

Например, железо придает красные и желтые оттенки, причем двухвалентное железо (Fe2+) окрашивает минералы в зеленые и синие цвета, а трехвалентное (Fe3+) - в красновато-коричневые. Марганец также может обусловливать фиолетовую, розовую или коричневую окраску. Наличие ионов Ti4+, V3+ и Cr3+ придает породам зеленые, синеватые и фиолетовые тона соответственно.

Кроме того, окраска зависит от количества примесей в минералах. Например, небольшие примеси хрома окрашивают оливин в изумрудно-зеленый цвет, примеси титана дают фиолетовый турмалин. Различные дефекты кристаллической решетки минералов также могут быть причиной их окраски.

Яркость и контрастность цветовой гаммы усиливается благодаря присутствию в породе нескольких породообразующих минералов разных цветов. Например, в кимберлитах можно наблюдать чередование темно-зеленого оливина, фиолетового пиропа, красновато-коричневого флогопита. В агпаитовых нефелиновых сиенитах на фоне серого полевого шпата контрастируют ярко-красный эгирин и темно-зеленая арфведсонит.

Некоторые разновидности химических горных пород отличаются особенно пестрой расцветкой. Например, шонкиниты с чередованием фиолетового калиевого полевого шпата, зеленого эгирина, коричневато-желтого канкринита. Миаскиты также имеют яркую пятнистую текстуру из-за вкраплений разноцветных минералов - розового полевого шпата, зеленого эгирина, красновато-коричневой биотита на светло-сером фоне.

Таким образом, благодаря присутствию редких хромофорных элементов и минералов, химические горные породы отличаются необычайно яркой, порой даже пестрой цветовой гаммой, что является одним из их характерных признаков.

Текстуры и структуры

Химические горные породы отличаются разнообразием текстур и структур. Это связано со спецификой процессов их формирования.

Для пегматитов характерны крупнозернистые структуры с размером отдельных минеральных индивидов от 1 см до 1 м. При этом часто наблюдается зональное строение, когда от краев пегматитового тела к центру увеличивается размер зерен. Такие текстуры образуются при медленной кристаллизации из остаточных флюидов.

Карбонатиты нередко имеют мелко- или тонкозернистое сложение. Характерны структуры кумулятивные, флюидальные, полосчатые, обусловленные ритмичностью процесса кристаллизации из расплавов или флюидов. Возможно присутствие оолитовых, пизолитовых и лапиллиевых текстур.

Для кимберлитов и лампроитов типичны порфировые структуры с вкрапленниками оливина, пиропа, флогопита в тонкозернистой основной массе. Характерны обломочные текстуры, свидетельствующие об их формировании из вулканических брекчий при быстром подъеме магмы.

Многие щелочные породы (фойяиты, уртиты, щонкиниты) имеют массивную текстуру. Иногда встречается трахитоидная структура с oriented призматическими выделениями полевых шпатов. Для миаскитов характерна пятнистая текстура.

Таким образом, разнообразие текстур химических горных пород отражает вариации физико-химических условий их образования: температуры, давления, скорости остывания, состава расплавов и флюидов. Изучение структурно-текстурных особенностей дает важную информацию о генезисе этих уникальных пород.

Где находят такие породы

Химические горные породы встречаются в различных геологических обстановках и регионах земного шара. Их локализация определяется особенностями геологического строения территорий и условиями формирования.

Пегматиты приурочены к зонам глубинных разломов, где происходило постмагматическое отделение летучих компонентов из остывающих интрузивных тел. Крупные пегматитовые поля известны в Прибайкалье, на Урале, в скандинавских странах.

Карбонатиты тяготеют к древним платформам (Балтийский щит, Алданский щит, Канадский щит), где магматическая активность была связана с рифтогенезом и плюм-тектоникой. Крупнейшие месторождения карбонатитов - Хибинское на Кольском полуострове, Маунтин-Пасс в Канаде.

Кимберлитовые трубки приурочены к древним платформам (Южная Африка, Сибирская платформа, Канадский щит), где происходило формирование алмазоносных кимберлитовых магм на больших глубинах. Лампроиты встречаются в орогенных поясах, например, в Маче и Лейксе (Австралия).

Массивы щелочных пород распространены в рифтовых зонах материков (особенно в Восточной Африке), где имел место интенсивный магматизм в обстановках растяжения литосферы. Крупнейшие массивы - Хибинский, Ловозерский, Илимауссак в Гренландии.

Таким образом, приуроченность химических горных пород к определенным геодинамическим обстановкам и древним структурам земной коры объясняет их локализацию в конкретных регионах и определяет практическую значимость для поисков полезных ископаемых.

Изучение под микроскопом

Микроскопическое изучение химических горных пород имеет большое значение для определения их минерального состава, структурно-текстурных особенностей и условий образования. Это позволяет получить важную информацию об их генезисе.

Под микроскопом в шлифах хорошо видна неоднородность их строения, наличие разнообразных минеральных фаз. Могут наблюдаться как крупные выделения отдельных минералов, так и мелкие сростки. Определяются структурно-текстурные особенности: аллотриоморфнозернистые, порфировидные, оолитовые, пойкилитовые и другие структуры.

Особое внимание уделяется минералогическому анализу, идентификации отдельных фаз - как главных породообразующих, так и акцессорных. Устанавливаются парагенетические ассоциации минералов, дающие представление об условиях кристаллизации.

Детально изучаются текстуры и структуры пород, особенности взаимоотношений минералов - это важно для понимания последовательности их образования. Анализируются процессы метасоматоза, замещения одних минералов другими.

Большое значение имеет изучение включений в минералах, а также газово-жидких и расплавных включений. Это позволяет оценить физико-химические параметры кристаллизации пород.

Таким образом, комплексные микроскопические исследования дают важнейшую информацию о составе, строении, генезисе химических горных пород, необходимую для понимания процессов их формирования.

Анализ химического состава

Анализ химического и микроэлементного состава является важной частью изучения химических горных пород. Это позволяет получить количественные данные о содержании основных петрогенных и редких элементов.

Определение макрокомпонентов (SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO и др.) выполняется классическим силикатным анализом. Для получения информации о содержании следовых элементов применяются высокоточные методы: масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, нейтронно-активационный анализ.

Полученные количественные данные о соотношении главных петрогенных оксидов позволяют определить принадлежность породы к тому или иному магматическому типу по соответствующим классификационным диаграммам.

Изучение содержания редкоземельных и других следовых элементов дает важную информацию о геохимической специализации пород, их источниках, условиях образования. Это имеет значение для понимания процессов дифференциации магмы.

Комбинирование данных химического и минералогического анализов позволяет рассчитать нормативные минеральные составы пород, смоделировать последовательность кристаллизации минеральных фаз при их формировании.

Таким образом, изучение химических характеристик дает фундаментальную информацию о составе и генезисе химических горных пород, являясь важной частью комплексных петрологических исследований.

Значение для петрологии

Изучение химических горных пород имеет большое значение для решения фундаментальных проблем петрологии, понимания эволюции магматических процессов в земной коре и верхней мантии.

Эти уникальные образования позволяют проследить процессы дифференциации и фракционирования магмы, обогащения ее летучими компонентами и редкими элементами. Их изучение дает ключ к пониманию поведения щелочей, фосфора, углекислоты, фтора и других элементов при магматических процессах.

Химические породы расширяют представления о возможных магматических сериях и ассоциациях пород. Они помогают установить связи между породами различных формаций и реконструировать эволюцию магматизма во времени.

Данные об условиях образования этих пород (давлении, температуре, составе расплавов и флюидов) позволяют моделировать процессы магмо- и породообразования на разных глубинах земной коры и в мантии.

По составу редких и редкоземельных элементов можно судить о геохимической специализации магматических очагов, особенностях мантийных источников магм.

Таким образом, комплексные исследования химических горных пород являются важнейшей основой прогресса в области петрологии, способствуя пониманию фундаментальных закономерностей магматизма.