Изучение горных пород

горный порода изверженный залегание Заключается в изучении условий залегания, производимом в поле, и исследовании строения и состава горных пород — работе лабораторной. Исследование в поле имеет задачею выяснение условий залегания горной породы, ее геологического возраста и внешнего массового строения, между тем как на долю лабораторного исследования выпадает изучение структуры, минералогического и химического состава породы. Под условиями залегания понимают как саму форму залегания, так и отношение к окружающим породам, массу и вообще все топографические условия. Одни из форм залегания являются в виде мощных пластов, другие — в тонких прослоях, в простых или ветвистых жилах, в массах неправильной формы, включенных в другие породы и носящих название, смотря по размерам, гнезд, штоков, залежей (и для полезных ископаемых — флёцов, если масса ограничена снизу и сверху приблизительно параллельными плоскостями). Другие породы образуют громадные неслоистые массивы (батолиты, лакколиты, штоки), или возвышаются в виде куполов, или, наконец, тянутся по земной поверхности в форме потоков и более или менее обширных покровов большой массы огненно-жидкой породы, некогда разлившейся горизонтально, приблизительно на одинаковое протяжение по разным направлениям, и застывшей. Одни из форм залегания присущи исключительно изверженным породам; другие — осадочным; третьи, каковы жилы, общи и тем другим. В местах соприкосновения горной породы с окружающими ее породами часто наблюдаются новообразования, также и видоизменения, как данной породы, так и заключающих ее (метаморфизм). Все эти особенности проливают свет на условия образования породы. Возраст в осадочных породах, содержащих окаменелости или залегающих среди содержащих окаменелости, определяется на основании палеонтологических и стратиграфических данных. Для изверженных пород часто недостаточно знать возраст подстилающих и покрывающих их осадочных пород, так как изверженная порода может быть моложе покрывающей ее осадочной породы; здесь вопрос решается на основании явлений контактного метаморфизма и на основании того, какие отложения прорваны, т. е. пройдены в жидком состоянии, изверженной массой. Горообразовательные процессы сильно усложнили и нарушили нормальные условия залегания. Поэтому в горных странах, особенно в складчатых горах и в областях сдвигов, определение возраста и условий залегания часто сильно затруднено.

Под внешним, или массовым, строением следует понимать крупные внешние черты структуры породы, относящиеся к ее внутренней или микроструктуре так же, как анатомическое сложение организма — к его гистологическому строению. Первое крупное различие между породами заключается в том, что одни делятся более или менее параллельными плоскостями на тонкие или толстые слои, они слоисты, между тем как другие массивны. В тонкослоистых породах чередование полос различного состава или цвета обозначают наименованием ленточного или полосатого. Порода бывает также чешуйчатая, листоватая, волокнистая. Породу, состоящую из более или менее одинаковых кристаллических зерен, называют кристаллически-зернистой, или гранитовидной, различая крупно-, мелко— и среднезернистое сложение. Если из общей массы горных пород одна или несколько составных частей выделяются в виде более крупных вкраплений, структура приобретает название порфировидной. Если в чешуйчатой или зернистой, обыкновенно слоистой (или сланцеватой), массе породы залегают приблизительно шаровидные или чечевицеобразные выделения одной или нескольких составных частей, структура породы делается очковой или чечевичной. Иногда некоторые составные части растянуты, даже разорваны и вытянуты параллельно друг другу — это растянутая или параллельно-линейная структура; если порода изогнута и сложена в более или менее мелкие складочки, ее называют складчатой или плойчатой. Наконец, группировка некоторых составных частей в шаровидные массы обусловливает так называемые шаровые, или сфероидальные, структуры, которые могут выражаться шаровидными образованиями радиально-лучистого, концентрически скорлуповатого (или одновременно и того и другого вместе) сложения; здесь различают пизолитовую, оолитовую, сферолитовую, вариолитовую структуры, не все имеющие право на самостоятельность. Не все эти структуры присущи горной породе с момента ее образования: некоторые (напр. плойчатая, линейная, чечевичная) вызываются в готовой уже породе позднейшим давлением, раздроблением, растяжением. Поэтому деление массовых структур (как и микроструктуру) на первичные, или синсоматические (протосоматические), и вторичные, или метасоматические, вполне рационально. Многие горные породы не являются сплошными; в них, напротив, наблюдаются более или менее многочисленные различной величины и формы пустоты. В одних случаях это пустоты, оставленные скопившимися в пузырьки при остывании расплавленной лавы парами и газами; в других случаях они вызваны разрушением и выщелачиванием тех или других составных частей; наконец, иногда пористость является прямым следствием образования породы: в лавах — быстрым остыванием пенистых масс, в осадочных породах — отложением осаждающегося вещества пористыми, а не сплошными массами (туфовидные породы). Различают: пористые, ноздреватые и пузыристые (шлаковидные), ячеистые и пещеристые структуры. Если в пузыристой изверженной породе поры впоследствии выполняются минеральными новообразованиями, принимающими по контурам поры шаровидную, эллипсоидальную форму или вид миндалин, то структура породы получает название миндалевидной (часто такую породу называют миндальным камнем, или мандельштейном). Во многих породах замечается еще способность колоться или распадаться по взаимно параллельным плоскостям на тонкие слои, называемая сланцеватостью и наблюдаемая почти исключительно в породах, принимающих участие в строении складчатых гор. Сланцеватость встречается как в осадочных породах, так и в изверженных, причем в первых она часто идет не параллельно, а под углом к слоистости и в таком случае называется диагональной. Как показывают опыты, сланцеватость в громадном большинстве случаев является результатом механического давления на них, т. е. позднейшим приобретением. В некоторых осадочных породах сланцеватость (или чрезвычайно тонкая слоистость) может быть и первичной.

Кроме внешнего строения, наружный вид горных пород обусловливается еще их отдельностью. Под этим понимают деление массы горных пород правильными трещинами на участки определенной формы и величины. Эти трещины являются результатом сокращения объема при охлаждении изверженной породы или вследствие высыхания некоторых осадочных пород; иногда трещины отдельности могут быть также результатом механического давления. Смотря по тому, рассекается ли порода одной, двумя, тремя или большим числом систем трещин, получаются отдельности: пластовая, плитообразная, параллелепипедальная, кубическая, неправильно-многогранная и столбчатая (базальтическая).

Свойства горных пород обусловлены их составом и строением, а также термодинамическими условиями. Увеличение пористости приводит к снижению плотности, прочностных и упругих свойств, теплопроводности, диэлектрической проницаемости, электропроводности, магнитной проницаемости и увеличению влагоёмкости, водопроницаемости. Такие свойства горных пород, как теплоёмкость, коэффициент объёмного теплового расширения, модуль объёмного сжатия и др., определяются минеральным составом пород; прочность, упругость, теплопроводность, электропроводность зависят от строения и минерального состава пород. Механические свойства в первую очередь обусловлены силами связей между частицами породы, тепловые и электрические — ориентировкой минеральных зёрен, наличием непрерывных проводящих каналов в горных породах. Наличие преимущественной ориентировки зёрен, трещин, пор, слоев, прожилков приводит к анизотропии горных пород. При этом модуль продольной упругости, предел прочности при растяжении, теплопроводность, электрическая проводимость, диэлектрическая проницаемость больше вдоль слоистости, а предел прочности при сжатии поперёк.

На свойства горных пород оказывает влияние размер зёрен, из которых они сложены. У мелкозернистых горных пород выше прочностные и упругие свойства, ниже электропроводность и теплопроводность. Наличие аморфной, стекловидной фазы в породах снижает их прочность, теплопроводность. Горные породы, как правило, плохие проводники тепла и электричества. Большей теплопроводностью и электропроводностью обладают малопористые породы, содержащие минералы-проводники.

Из общих свойств горных пород заслуживают внимания по своему интересу их магнитные свойства. Магнитность общее свойство всех горных пород. По магнитной восприимчивости большинство горных пород относится к диаи парамагнетикам; ферромагнитные минералы — магнетит, гематит, пирротин и др. Упругие свойства пород определяют величину параметров акустических свойств, электрические и магнитные свойства горных пород — электромагнитные свойства.

Горные породы состоят из минералов, которые могут быть аморфными или кристаллическими; во многих горных породах есть еще так называемые посторонние массы. В изверженных породах сюда относятся включения, то есть обломки, оторванные и увлеченные лавой от стенок кратера, жерла или вообще пород, по которым она двигалась до застывания. В породах, как осадочных, так и изверженных, сюда относятся конкреции (стяжения) и секреции (выделения), представляющие результат их минеральной жизни. Первые представляют лучистую, скорлуповатую или иную группировку принесенных извне минеральных отложений вокруг какой-нибудь точки или участка породы; вторые суть минеральные отложения в пустотах породы путем гидрохимических процессов, извлеченные из самой породы. Конкреции растут изнутри кнаружи, а секреции нарастают от наружных частей к центру. Характер сочетания составных частей горной породы обусловливает ее сложение, или структуру. Внутренняя структура в мелкозернистых и плотных породах обнаруживается только под микроскопом, почему и носит название микроскопической, или микроструктуры.

Изверженные породы по сложности состава и разнообразию структуры обыкновенно требуют гораздо более детальных исследований, чем осадочные. Исследования сводятся к следующим: механическим, химическим и микроскопическим (оптическим). Механическое измельчение горной породы и отделение разных составных частей друг от друга в наиболее грубом виде достигается простою отборкой пинцетом и при помощи лупы. Для удаления из измельченной породы магнитного железняка и самородного железа уже давно прибегали к помощи магнита.

Химическое исследование. Метод тяжелых жидкостей, т. е. жидкостей (например йодистый метилен) с относительным весом, равным или даже превышающим удельный вес наиболее важных минералов, входящих в состав горной породы. Из опущенного в такую жидкость порошка горной породы будут плавать в жидкости одни составные части, а другие, более тяжелые, чем жидкость, будут в ней тонуть. Преимущество применения тяжелых жидкостей заключается в том, что достаточно определения удельного веса жидкости, чтобы вместе с тем узнать и удельный вес плавающих в ней минералов.

Различная степень разлагаемости составных частей горных пород кислотами также неоднократно применялась для их разделения. Для этого употребляют: 1) соляную кислоту, причем некоторые минералы растворяются целиком, другие с выделением СО2, третьи с выделением S, четвертые — порошковатой или студенистой SiO2, наконец, другие вовсе ею не разлагаются; 2) плавиковую кислоту; при различной ее концентрации и различной продолжительности действия удается разлагать поочередно разные минералы, оставляя нетронутыми те, которые желательно изолировать; 3) Едкие щелочи особенно пригодны при исследовании стекловатых пород.

Особенную важность представляет микроскопическое изучение горных пород, открывшее в конце пятидесятых и начале шестидесятых годов новую эру для петрографии. Для изучения горных пород под микроскопом из них приготовляют прозрачные пластинки, так называемые шлифы, при помощи канадского бальзама наклеенные на предметное стекло и покрытые покровным стеклом. Эти препараты приготовляют, шлифуя подходящие кусочки горной породы на наждачном круге или на чугунной пластинке с наждачным порошком. Пористые или легко рассыпающиеся, рыхлые породы предварительно кипятят в канадском бальзаме, а порошковатые породы, песок и т. п. по способу Тулэ заливают до шлифовки в смесь хлористого цинка и растворимого стекла. Петрографический микроскоп представляет микроскоп поляризационный с приспособлениями для возможно полного изучения составных частей горной породы. Задача микроскопического изучения горной породы сводится к: 1) определению составных ее частей; 2) к исследованию ее строения. Отдельные составные части горной породы исследуются как со стороны их морфологических признаков, так оптических свойств и отчасти химических. Исследование начинается с рассматривания препарата в простом проходящем свете, дающем возможность распознать прозрачные составные части от непрозрачных, окрашенные от бесцветных, недоразвитые или лишенные собственных очертаний от тех, которые ограничены правильными кристаллографическими элементами, а также подметить все морфологические особенности составных частей горной породы. Определение минералов на основании их оптических свойств совершается при помощи параллельных или сходящихся лучей поляризованного света.