Энциклопедия о строении земли

Как возникли месторождения полезных ископаемых

Главная масса всех химических элементов, в том числе и очень ценных, рассеяна в горных породах. Лишь очень незначительная часть их сосредоточена в месторождениях полезных ископаемых. Но хотя содержание элементов в горных породах низкое, их общее количество грандиозно. Так, мировые запасы урана в выявленных месторождениях, содержащих богатую руду, к настоящему времени, даже без территории СССР, достигают 1 млн. т. Среднее же содержание урана, рассеянного в горных породах, составляет всего лишь 0,0004%. Однако общее количество рассеянного урана в земной коре колоссально и во много миллионов раз превышает запасы этого металла во всех известных месторождениях мира. А запасы в них равновелики количеству урана, находящемуся в рассеянном состоянии всего лишь в 100 км³ горных пород. Так же обстоит дело и с другими ценными элементами.

Почему же, в каких условиях химические элементы, обычно входящие в состав минералов, слагающих горные породы, в отдельных местах образуют скопления с высокой концентрацией этих элементов? Над выяснением условий, создающих благоприятные природные предпосылки для формирования месторождений полезных ископаемых, трудились крупнейшие геологи мира.

Среди работ отечественных ученых выделяются труды В. И. Вернадского, И. М. Губкина, А. П. Карпинского, В. А. Обручева, А. Е. Ферсмана и других.

Все полезные ископаемые по условиям их образования разделяются на глубинные и поверхностные. Глубинные месторождения называются также эндогенными («эндо» — внутри, «генная» — рожденная), а поверхностные — экзогенными («экзо»— снаружи).

Формирование глубинных, или эндогенных, месторождений обычно связано с внедрением в земную кору и застыванием раскаленных подземных расплавов, или магм. Поэтому такие месторождения иногда называют магматогенными или магмой рожденными. Магма по трещинам проникает в горные породы. При этом только незначительная часть ее в вулканах достигает поверхности Земли, образуя потоки лавы и скопления вулканического пепла, создающего туфы. Большее количество магмы не доходит до земной поверхности и застывает на глубине, образуя глубинные кристаллические магматические породы, такие, как габбро, диориты, граниты и им подобные. Застывшие на глубине и на поверхности Земли магматические породы широко используются в качестве природных каменных строительных материалов.

Благодаря различию физических и химических свойств элементов в процессе остывания магматических расплавов в недрах Земли происходит их разделение, образуются скопления части химических элементов. При остывании так называемых основных магм, содержащих в своем составе не более 50% окиси кремния, процесс разделения слагающих их веществ идет подобно выплавке чугуна в домнах. При этом в застывающих на глубине скоплениях магмы кверху всплывают легкие породы, а на дно магматического резервуара опускаются тяжелые минералы, образующие рудные магматические месторождения. Наиболее значительные из них месторождения железа и титана, хрома и платины, меди и никеля. Близки к ним по своему происхождению и месторождения алмазов в кимберлитовых трубках Сибири и Южной Африки, но для их образования кроме высокой температуры важное значение имеет огромное давление.

Совершенно иначе обособляются ценные минералы при застывании так называемых кислых магм, содержащих более 50% окиси кремния. Эти магмы обычно отличаются повышенным содержанием различных газов, в том числе и паров воды. Газы растворяют многие химические соединения, особенно металлические, и не дают им выпадать в осадок на ранних стадиях остывания магмы. Поэтому условия для их концентрации создаются в самых поздних, не успевших полностью отвердеть остатках магматических расплавов. Часть таких остаточных расплавов магмы, насыщенных горячими газами и растворенными в них ценными элементами, внедряется по трещинам в горные породы и, остывая, образует так называемые пегматитовые жилы. Они состоят в основном из кварца и полевого шпата, а иногда содержат накопления слюды, драгоценных камней (топаз, аквамарин и др.), минералов бериллия и лития, олова, вольфрама, урана.

Магматические газы с растворенными в них ценными соединениями не только накапливаются в остаточных очагах магмы, но также могут просачиваться через уже отвердевшие стенки, проникая в окружающий остывающий магматический очаг породы, при этом между фильтрующимися раскаленными газами и окружающей породой могут возникнуть химические реакции. Особенно бурно они протекают между горячими магматическими газами и известковыми породами. В ходе таких реакций по периферии массивов остывающих магматических пород, в зоне соприкосновения их с известняками, возникают так называемые скарны. Они состоят из минералов, в состав которых входит известь, кремний и алюминий. Кроме того, в скарнах часто накапливаются минералы железа, меди, свинца, цинка, вольфрама, бора, образующие с карповые месторождения этих ценных элементов.

Скопления полезных ископаемых в недрах Земли образуют тела различной формы. На рисунках даны формы залегания магматических пород:

Но не все магматические газы реагируют на глубине с горными породами. Большая их часть вследствие высокого давления устремляется по трещинам и порам горных пород к поверхности Земли. При этом минерализованные пары постепенно охлаждаются, сжижаются и превращаются в горячие минеральные воды — гидротермы. Они продолжают подниматься по трещиноватым и пористым водопроницаемым горным породам. По мере дальнейшего охлаждения горячих минеральных вод растворенные в них соединения ценных и иных элементов выпадают в осадок. Заполняя трещины горных пород, они образуют жилы полезных ископаемых. Часть элементов гидротерм вступает в реакцию с минералами горных пород и отлагается, формируя залежи полезных ископаемых, замещающие эти горные породы. Подобного рода месторождения, образованные отложениями горячих минеральных вод в недрах Земли, называются гидротермальными. С этой очень важной группой эндогенных месторождений полезных ископаемых связаны большие количества руд меди, свинца, цинка, олова, вольфрама и других ценных элементов.

Экзогенные месторождения образуются под действием геологических процессов у поверхности Земли. Они формируются в ходе длительных изменений горных пород по мере их перемещения из недр к поверхности Земли. Такие медленные или внезапные катастрофические подъемы отдельных участков земной коры происходили во все геологические эпохи и продолжаются в наши дни. У поверхности Земли горные породы под действием колебаний температуры и водных потоков механически разрушаются на мелкие и мельчайшие обломки. Под влиянием воды, кислорода и углекислоты они химически разлагаются, меняя свой состав. Продукты такого разрушения уносятся водными потоками в реки и, оседая на их дне, образуют хорошо известные речные месторождения гравия, песков и глин. При этом некоторые химически стойкие, неокисляющиеся, твердые и тяжелые минералы накапливаются в нижней донной части речных отложений, образуя россыпи. В россыпях могут концентрироваться только тяжелые минералы с удельным весом более 3. Поэтому именно в виде россыпей известны месторождения золота, платины, оловянного камня, вольфрамита и т. д.

Значительная часть минеральной массы, находящейся в речной воде в виде ила или в растворенном состоянии, выносится в моря и океаны. Масштабы такого выноса огромны. Так, Волга за год выносит в Каспийское море 25,5 млн. т взвешенного в воде материала, Амударья в Аральское море — 215 млн. т, Амазонка в Атлантический океан — около 1000 млн. т. В океанах и морях минеральные вещества, поступающие с континентов, под влиянием силы тяжести, в результате химического воздействия соленой морской воды или в связи с жизнедеятельностью морских организмов осаждаются и накапливаются на дне. Так создаются толщи пород осадочного происхождения, среди которых находятся пласты осадочных полезных ископаемых. Наряду с такими общеизвестными, как пески, глины, известняки, распространены месторождения руд железа, марганца, алюминия, фосфоритов, угля и нефти.

На поверхности Земли образуются месторождения полезных ископаемых также вследствие растворения и выноса части вещества грунтовыми водами, причем в остатке накапливаются трудно растворимые ценные минеральные соединения. Например, в породе, состоящей из соединений кальция и алюминия, кальциевые минералы могут растворяться и удаляться с водой, а в остатке накопятся соединения алюминия — бокситы — ценная руда для производства этого металла. Такие месторождения называются остаточными. Среди них помимо бокситов известны залежи железной руды, никелевой руды, фосфорных соединений.

Часть растворенного вещества может вновь отложиться под землей из грунтовых вод, при их инфильтрации по проницаемым породам. Возникающие при этом месторождения так и называются инфильтрационными. Среди инфильтрационных известны месторождения никеля, меди, золота, урана.

Если горные породы и заключенные среди них месторождения полезных ископаемых погружаются в глубь Земли, на них действует давление залегающих на них толщ и внутренний жар Земли. Под их влиянием горные породы и полезные ископаемые изменяются, преобразуются в метаморфические, такие, как гнейс или кристаллический сланец, при этом могут возникнуть метаморфические месторождения полезных ископаемых («метаморфоза» — изменение). К ним относятся как ранее существовавшие, но подвергшиеся интенсивному изменению тела, так и возникшие вновь вследствие метаморфизма. К последним принадлежат, например, месторождения мрамора, кровельных сланцев, слюды, графита, гранатов.