Генезис на минералите

Лекция на Лариса Нешева

Понятието генезис на минералите е съвкупност от начина на зараждане, растеж и изменение (заместване, прекристализация) на минералите, т.е. обхваща всички геоложки процеси на минералообразуване. Генезисът на минералите като съставни части на земната кора е тясно свързан с образуването на различните видове скали и се осъществява от природни топилки, от разтвори или от пари чрез кристализация, или чрез взаимодействието им с твърдата част на земната кора.

Най-общо минералните находища могат да се разделят на две групи: ендогенни и екзогенни. Първите са образувани в дълбоките отдели на земната кора или върху нея, но от материал, изнесен от дълбочина, докато вторите се образуват в повърхностните отдели на литосферата. Съобразно с начина на образуване и факторите, които способстват за минералообразуването, ендогенните находища се разделят на магматогенни и метаморфогенни, а екзогенните – на супергенни и седиментогенни. Ендогенните находища се образуват при високи температури (до около 800оС) и високи налягания, а екзогенните – при ниски температури (0о – 30оС) и при обикновено налягане.

I. Магмата и нейните продукти

Магмата е природна топилка с преобладаващо силикатен състав, която се генерира в земната кора и мантията.

Когато затвърдява чрез постепенно охлаждане в дълбоките части на земната кора, образува магматични скали, които се наричат още интрузивни или плутонични. Движения в земната кора могат да предизвикат странстване на магмата, като през отслабени зони може да излезе и се разлее върху земната повърхност под формата на лава, която бързо застива и образува лавови скали, които се наричат още ефузивни или вулкански.

Съобразно с дълбочината, на която се образуват магмените скали те се разделят на абисални, хипоабисални и субвулкански. Условията на кристализация на двата крайни типа магмени скали – абисалните и вулканските се различават съществено: първите се образуват при висока температура и налягания, докато вторите – при висока температура, но при атмосферно налягане. От това произлиза и различния външен изглед на скалите, които имат един и същи химичен състав. Напр. габро – базалт; гранит – риолит; монцонит – трахит.

Главните съставки на магмата са: SiO2, Al2O3, FeO + Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O и H2O. Съобразно с количеството на SiO2 магмите и съответните скали се разделят на ултрабазични, базични, средни, кисели – първите със съдържание на SiO2 около 40% (дунит, перидотит), а последните – около 70% (гранит, сиенит).

Редът по който кристализират минералите в охлаждащата се магма, зависи от първоначалния и състав и условията, при които застива. Общият ход на кристализация на магмите се дава с т.нар. реакционни редици на Боуен. Едната редица представлява кристализацията на богатите на желязо и магнезий минерали (мафични или фемични – оливин, пироксен, амфиболи, биотит), другата – богати на силиций и алуминий (салични – калиев фелдшпат, плагиоклаз, кварц, мусковит).

Кристализационният процес може да се раздели на няколко етапа. Приема се, че границите на етапите се маркират от прехода на високотемпературния (хексагонален) кварц към нискотемпературния (тригонален) кварц – при 573оС и от температурата, над която водата се намира в надкритично състояние - 375оС, а именно:

I етап Собствено магматичен (температура от 800о до 600оС)
През този етап кристализирането на минералите се извършва от топилка. Образуват се по-голяма част от скалообразуващите минерали – оливин, пироксен, плагиоклази, калиеви фелдшпати, амфиболи, кварц, а също и платина, магнетит, хромит и др. През този етап се формират главните типове магмени скали – габро, диорити, гранити и др.

II етап Пегматито – пневматолитен (температура от 600о до 400оС)
След завършване на главния стадий на магмена кристализация, след образуването на магмените скали остават разтвори, богати на летливи вещества – флуиди, лесно подвижни, които нахълтват в пукнатини и празнини на материнската магмена скала и изкристализират като пегматити - скали изградени от кварц, кисели плагиоклази, калиеви фелдшпати и слюда. Те са набогатени на Si, Al, Ca и алкалии, а също и Li, Be, B, F, Rb, Cs и редки земи: Mo, Zr, Hf, Nb, Ta, Th, U. Освен основните минерали, в тях се образуват и редица други минерали, резултат от изменение химизма на разтворите по време на пегматитовия процес – топаз, турмалин, берил, гранат, епидот и др.

Поради наличието на летливи вещества, които действат като минерализатори те, за разлика от магмените скали, имат едрозърнест изглед като съставящите ги минерали могат да достигнат и гигантски размери. В пегматитови жили и гнезда напр. са намирани кварцови кристали до 5,5 м дължина и 2,5 м в диаметър, кристали от берил тежки до 200 т, дълги до 6 м, турмалинови кристали дълги до 3 м, слюдени кристали до 7 м2 и дължина до 3 м.

III етап Хидротермален (температура по-ниска от 400оС)
През този етап неизкристализиралата още течност се превръща в нискотемпературен воден разтвор, от който кристализират минерали съдържащи в състава си вода или хидроксилна група.

Хидротермалните минерални находища представляват обикновено запълнени пукнатини в земната кора, които могат да достигнат 2- 10 и повече метра ширина и километри дължина или да се явят под формата на гнезда, впръсквания и др. Според температурата на образуване находищата се делят на високотемпературни (400о – 300оС), среднотемпературни (300о - 150оС) и нискотемпературни (150о - 50оС).

При хидротермалните находища често се установява неколкократно образуване на различни генерации на един и същи минерал, което свидетелства за ритмичното изменение в химизма и за пулсация на хидротермалните разтвори по време на кристализация. Поради това, че минералите кристализират от водни разтвори, много от тях съдържат включения – газови, течни или газово-течни, от които се съди за химизма на средата и температурата на кристализация.

Към хидротермалните минерални находища се отнасят едни от най-важните неметални суровини – барит, флуорит, калцит и най-богатите находища на цветни метали - олово, цинк, мед и др.

При странстването си из земната кора хидротермалните разтвори могат да достигнат земната повърхност и да се излеят върху нея под формата на топли (термални) извори. Металното им съдържание е вече значително понижено, поради сместването им с подпочвените води.

Вулканогенни минерални находища
Освен вулканските скали, които се образуват вследствие изливането на лавите на земната повърхност, по – интересни са продуктите, които се получават от газовете, които се отделят при вулканските ерупции, означавани като вулкански еманации. Това са т. нар. фумаролни продукти. Редица летливи вещества, особено хлоридите на Na, K, Fe, Al, Cu, Pb и др. метали, често се отделят под формата на облепи и кори около вулканските гърла. Минерали като самородна сяра, хематит, силвин, някои карбонати и сулфати се срещат във връзка с такава фумаролна дейност.

В самите лавови потоци и разливи, поради бързото изстиване на лавата се образуват мехурести празнини (миндали), които допълнително в течение на милиони години се запълват с калцит, зеолити, кварц, аметист, опал или халцедон. Така се образуват ахатите – отлагането на кремъчно вещество започва от стените на миндалните празнини към центъра и се обяснява с ритмичното дегазиране на разтворите.

II. Метаморфни находища

Метаморфен процес се нарича процес на физико-химично изменение на скали и минерали под действие на висока температура (свързана с магмен източник) и високо налягане (свързано с натиск или разместване на земните пластове). В зависимост от преобладанието на един или друг фактор се отделят няколко типа метаморфизъм: контактен (висока температура и горещи газово – водни разтвори), дислокационен или динамометаморфизъм (високо налягане) и регионален или дълбочинен (при висока температура и налягане).

Получените в резултат на метаморфни процеси скали са зърнести или плътни, подобно на магматичните скали, от които понякога трудно се отличават. Напр. гнайсите са със същия състав, както гранита, но има слоист изглед.

Метаморфните процеси могат да бъдат:
• изохимични - без привнасяне или изнасяне на вещества, напр. превръщането на варовиците в мрамори, на пясъчниците – в кварцити, под влияние на висока температура и високо налягане;
• алохимични – с привнасяне или изнасяне на вещество. Когато магмената топилка, пегматитовите флуиди или хидротермални разтвори странстват из околните скали, те предизвикват в тях промени, в резултат на взаимодействието между съществуващите минерали и съответните газове и разтвори. Този процес на заместване, миграция на йони чрез дифузия се нар. метасоматизъм. Решаваща роля за дифузионните явления играят температурата, налягането, химичния състав, концентрацията и устойчивостта на фазите. Напр. на границата между гранити и варовици се образуват калциево – силикатни минерали, означавани като скарни.

Хидротермалните находища също са придружени от метасоматични продукти – напр. каолинита и серицита, които се получават за сметка на калиевия фелдшпат.

Важни за проследяване на метасоматичните процеси са т. нар. минерални псевдоморфози, представляващи продукти, при които е запазена кристалната форма на изходния минерал, а отгоре е отложен друг минерал. Такива псевдоморфози се образуват на лимонит по пирит, англезит или церусит по галенит. Има псевдоморфози, при които няма химично сходство между изходния минерал и новообразувания – напр. кварц по флуорит или калцит, като го обгръща под формата на дребнозърнеста кора – тогава се нарича периморфоза. Когато минералът е лесно разтворим, може да остане само кората като негативен кристал – това се нарича епиморфоза. Когато такъв негативен кристал се запълни механично от трети минерал, това се нарича плероморфоза. Когато няма химични промени, а една полиморфна модификация премине в друга – това се нарича параморфоза.

II. Седиментогенни находища

Образуват се във водни басейни - езера, морета, океани. Солите, под формата на разтвори или суспензии, носени от континенталните области се утаяват веднага след достигне до морската вода, която е силен електролит. Континенталните води са богати основно на Ca и CO32-, морските води – на Na и Cl-, океанската вода – на Na+, Mg2+, Ca 2+, K+, Cl-, SO42- , HCO3-.

Основни седиментни скали са варовиците, пясъчниците и глините. Редица минерали се образуват в такива условия, напр. калцит, халит, силвин, целестин, доломит и др.

Има случаи, когато лава или хидротермални разтвори се изливат на дъното на воден басейн и тогава се образуват смесен тип находища на минерали – вулканогенно –седиментни или хидротермално – седиментни – такива са манганови, железооксидни, опал и др.

III. Супергенни находища

В приповърхностни условия, подложени на окисление и различни непрекъснато променящи се атмосферни условия, първичните главно сулфидни и оксидни минерали се излужват (изветрят) и прекристализират, образувайки т.нар. супергенни (вторични) минерали – основно с карбонатен и сулфатен състав. Например куприта, малахита, азурита, халкантита са вторични минерали на медните сулфиди – халкопирит и борнит; церусита и англезита са вторични минерали на галенит; смитсонита е вторичен минерал на сфалерит; лимонита е вторичен продукт на хематит; гипса е вторичен продукт на разлагането на различни сулфидни минерали; гьотита се образува за сметка на изветрянето на желязосъдържащи минерали; пиролузитът се образува за сметка на изветрянето на мангансъдържащи минерали.

IV. Разсипни (наносни) находища

След разрушаване на скалите, материалът се пренася от повърхностните води и вятъра в реките, а от там – в моретата и океаните, образувайки разсипни находища. Там се намират високоустойчиви минерали – злато, платина, магнетит, циркон, монацит, кварц, скъпоценни камъни – гранат, шпинел, рубин, сапфир, диаманти. Напр. от разсипни находища се доставят 15 % от добиваните диаманти. Най-известните от тях се намират в Югозападна Африка – в шелфа на Атлантическия океан има ивица, с диамантени разсипи на площ от около 50 000 км2.