Кристаллофизика : минералогия природных процессов

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение................................................................................................4 
1. Природное рудообразование ...............................................................6 
1.1. Строение Земли..............................................................................6 
1.2. Вулканизм – источник минералообразования ............................9 
1.3. Геохимические особенности рудообразования в 
различных геотектонических процессах..........................................14 
1.3.1. Эндогенные процессы..........................................................15 
1.3.2. Экзогенные процессы...........................................................15 
1.3.3. Метаморфические процессы ...............................................16 
2. Условия формирования полезных ископаемых...............................18 
2.1. Магматические месторождения .................................................18 
2.2. Скарновые месторождения.........................................................20 
2.3. Гидротермальные месторождения.............................................24 
2.4. Месторождения коры выветривания .........................................26 
2.5. Осадочные месторождения.........................................................28 
2.6. Метаморфические месторождения ............................................31 
3. Черные металлы..................................................................................37 
3.1. Железо ..........................................................................................38 
3.1.1. Геохимия железа...................................................................38 
3.1.2. Минералогия железных руд.................................................39 
3.1.3. Генетические типы железных руд.......................................50 
3.1.4. Требования промышленности к железным рудам.............54 
3.2. Марганец ......................................................................................55 
3.2.1. Геохимия марганца...............................................................55 
3.2.2. Минералогия марганцевых руд...........................................56 
3.2.3. Генетические типы марганцевых руд.................................61 
3.2.4. Требования промышленности  к марганцевым рудам ......63 
3.3. Хром..............................................................................................65 
3.3.1. Геохимия хрома ....................................................................65 
3.3.2. Минералогия хромитовых руд ............................................65 
3.3.3. Генетические типы хромитовых руд ..................................67 
3.3.4. Требования промышленности  к хромитовым рудам .......69 
3.4. Ванадий.........................................................................................70 
3.4.1. Геохимия ванадия.................................................................70 
3.4.2. Минералогия ванадиевых руд .............................................71 
3.4.3. Генетические типы ванадиевых руд ...................................74 
3.4.4. Требования промышленности  к ванадиевым рудам ........76 
Библиографический список...................................................................77 

Введение 

Понятие «от руды до металла» объединяет две области знаний: 
металлургию и геологию. Природное и техногенное рудообразование 
имеют много общего. Руды и металлургические продукты представляют собой полиминеральные объекты, состоящие из разных по составу кристаллов минеральных фаз.  
Большинство руд являются продуктами высокотемпературных 
магматических процессов, происходящих в недрах Земли при ликвации магматического расплава на легкую силикатную и тяжелую рудную составляющие. Это, в определенной мере, напоминает механизм 
разделения на шлак и металл при доменной плавке железорудного 
материала. 
Осадочные месторождения образуются путем разрушения и переотложения рудных масс магматического происхождения, а также в 
результате их попадания в иные природные, физико-химические и 
механические условия. Аналогия с металлургическими процессами в 
данном случае в том, что при переотложении руд происходит разделение рудных и силикатных минералов, – это является сутью процесса обогащения руд. 
Последующий процесс преобразования осадочных месторождений в метаморфические связан с опусканием огромных осадочных 
масс в глубинные слои земной коры под действием геотектонических 
подвижек и с перекристаллизацией минерального вещества в зонах 
высоких температур и давления. Металлургическим аналогом его 
является процесс окускования, когда рудный концентрат после 
окомкования подвергается высокотемпературной обработке, где решающими факторами становятся состав газовой фазы и температура.  
Происхождение минералов, сложные процессы их образования и 
условия существования – все это объединяется понятием генезис минералов или минеральных ассоциаций. Под генезисом понимают 
весь природный цикл фазообразования: представление о зарождении 
и росте минерала, физико-химический механизм его формирования, 
включающий свободную кристаллизацию, изоморфные замещения, 
полиморфные превращения, перекристаллизация в твердом состоянии и с участием жидких фаз. 
Природные процессы рудообразования происходили в течение 
всех геологических эпох Земли, происходят они и в настоящее время. 
Любые минералы или минеральные ассоциации устойчивы лишь в 

среде своего образования. С изменением условий существования они 
становятся неустойчивыми и стремятся превратиться в минералы 
более устойчивые в данной физико-химической среде. Гипергенные 
или поверхностные процессы фазовых превращений минеральных 
ассоциаций происходят на поверхности земной коры.  
Процессы минералообразования во многом зависят от геотектонических условий существования Земли в целом. Поверхность земной коры постоянно меняется под влиянием механических деформаций слагающих ее структурных элементов и поэтому находится в 
постоянном движении. Сложность условий рудообразования в том, 
что часть рудных месторождений образуется в глубинах магматических очагов Земли, другая – на ее поверхности, в земной коре. За 
длительную геологическую историю происходило последовательно: 
магматическое рудообразование, затем разрушение, эволюционное 
изменение слагающих руду минералов и появление на их месте новых месторождений, которые тоже в геологическом летоисчислении 
оказывались недолговечными. Все процессы минералообразования 
взаимосвязаны, поэтому существует однотипность целого ряда месторождений. Для того чтобы ориентироваться в сложной геологической системе взаимосвязи процессов появления и исчезновения рудных месторождений, необходимо представлять внутреннее строение 
Земли и связанные с ним физико-химические и геотектонические 
процессы.  

1. ПРИРОДНОЕ РУДООБРАЗОВАНИЕ 

1.1. Строение Земли 

Общепринятым считается мнение о том, что процессы рудообразования связаны, в первую очередь, с вулканической деятельностью. 
В процессе извержения вулканов полезные ископаемые последовательно выносятся из недр Земли на поверхность земной коры вместе 
с огненно-жидкой магмой и газово-жидкими расплавами. Все процессы рудообразования непосредственно связаны с геотектоническим состоянием Земли. О составе Земли и ее свойствах имеются 
только предположительные сведения, поскольку непосредственному 
наблюдению доступна только самая верхняя оболочка земного шара. 
Наиболее достоверные данные получены при использовании сейсмического метода, основанного на изучении путей и скорости распространения в Земле сейсмических волн, регистрирующих различную 
плотность слагающих слоев Земли. С их помощью удалось составить 
представление о внутреннем строении Земли (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Современное представление о внутреннем строении Земли 

Верхняя сфера Земли – земная кора (А на рис. 1.1) самая сложная 
по составу, она делится на три слоя: верхний осадочный – до 20 км, 
средний гранитный – 10…40 км и нижний базальтовый – до 70 км. 
Под океанами осадочный слой имеет толщину всего в несколько сотен метров. Гранитный слой, как правило, отсутствует. Вместо него 
существует слой неясной природы толщиной 1,0…2,5 км. Глубина 

базальтового слоя под океанами в отличие от земной коры достигает 
только 5 км. Под базальтовым слоем залегает мантия. С помощью 
сейсмических методов четко установлено, что между земной корой и 
мантией существует поверхность раздела, названная поверхностью 
Мохоровичича. Здесь скорость продольных волн возрастает с 6,3 до 
7,8 км/с, а поперечных с 3,7 до 4,3 км/с. Увеличение скорости волн 
обусловлено резким повышением плотности вещества по сравнению 
с плотностью земной коры. Слой Мохоровичича представляет собой 
нижнюю границу земной коры и находится в различных частях Земли на неодинаковой глубине. 
Мантия состоит из трех слоев В, С, D (см. рис. 1.1) и простирается от поверхности Мохоровичича до глубины 2900 км, где она граничит с ядром Земли. Слои В и С образуют верхнюю мантию толщиной 850…900 км, слой D – нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть мантии (слой В), залегающую непосредственно под корой, называют субстратом. Кора вместе с субстратом образует литосферу. Нижняя часть верхней мантии (слой С) названа именем открывшего ее сейсмолога Б. Гутенберга. Скорость распространения 
сейсмических волн в пределах слоя Гутенберга несколько меньше, 
чем в выше- и нижележащих слоях, что объясняется повышенной 
текучестью его вещества. Этот слой является сейсмическим волноводом, поскольку сейсмические волны долгое время идут вдоль него. 
Лежащий ниже слой является зоной быстрого нарастания скоростей 
сейсмических волн как продольных, так и поперечных. 
Земное ядро имеет средний радиус ∼ 3500 км и делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом ∼ 1300 км. Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной ∼ 300 км, которую обычно относят к внешнему ядру. На границе мантии и ядра наблюдается 
скачкообразное падение скорости продольных сейсмических волн. 
Внутри ядра скорость возрастает, увеличиваясь скачком вблизи границы с субъядром, где сейсмические волны распространяются с неизменной скоростью. 
Неодинаковы и физические характеристики различных слоев Земли. С увеличением глубины изменяются значения величин силы тяжести, плотности, давления, вязкости и температуры. В земной коре 
и верхней мантии температура повышается с глубиной залегающих 
слоев. Из мантии к земной поверхности идет тепловой поток несколько меньший, чем поступающее тепло от Солнца. В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего 
ее материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 

600…700 °С. В слое Гутенберга температура, по-видимому, близка к 
точке плавления (1500…1800 °С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и земного ядра носит предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000…5000 °С, а 
давление может достигать 3,5 млн. атм. Вязкость материала мантии 
выше и ниже слоя Гутенберга порядка 1023 Пз, вязкость же материала самого слоя понижена, около 1019…1021 Пз. Считается, что благодаря этому в слое Гутенберга происходит медленное перетекание 
материальных масс в горизонтальном направлении под влиянием 
неравномерной нагрузки со стороны земной коры. Полагают, что 
вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии.  
В составе Земли преобладают железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют > 90 % массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из 
кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, 
кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий образуют 
наиболее распространенные в земной коре соединения. Предполагается, что ядро состоит из железо-никелевого сплава подобно металлической фазе хондритов1 метеоритов. Мантия состоит преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом, которые 
входят в состав силикатов. В субстрате, по-видимому, преобладает 
форстерит Mg2SiO4, ближе к ядру – фаялит Fe2SiO4. Предполагается, что в нижней мантии эти минералы под влиянием очень высокого 
давления разлагаются на отдельные оксиды: SiO2, MgO, FeO. Агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давления. Материал мантии был бы расплавлен, 
если бы не высокое давление, вследствие которого все вещество 
мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением, вероятно, слоя Гутенберга, где влияние близкой к точке 
плавления температуры сказывается сильнее, чем действие давления. 
Полагают, что здесь вещество мантии находится либо в аморфном, 
либо частично в расплавленном состоянии. 
Внешнее ядро, очевидно, находится в жидком (расплавленном) 
состоянии, поскольку поперечные сейсмические волны, не способные распространяться в жидкости, через него не проходят. С сущест––––––––– 
1 Хондрит – наиболее распространенный тип каменных метеоритов, составляющий 
90 % всех каменных метеоритов. Характерной их особенностью является наличие 
хондр – округлых образований размером в среднем 0,5…1,0 мм, заключенных в основной тонкозернистой массе метеорита. Содержат значительное количество никелистого железа в виде мелких зерен. 

вованием жидкого внешнего ядра связывают происхождение магнитного поля Земли. Субъядро, по-видимому, твердое, так как продольные сейсмические волны, подходя к его границе, возбуждают в 
нем поперечные волны. 
Вещество геосфер Земли находится в непрерывном движении и 
изменении. В разных слоях процессы превращения вещества происходят с различной скоростью: быстрее всего изменения вещества 
происходят в геосферах жидкой и газообразной фазах, гораздо медленнее во внутренних геосферах, состоящих преимущественно из 
твердых веществ. Именно изучение их природы и фазовых превращений необходимо для понимания закономерностей рудообразования. Для появления рудного месторождения в доступной части земной коры требуется длительный и сложный путь концентрации вещества. Поскольку и твердые, и жидкие составляющие Земли всегда 
находятся в бесконечном движении, то и процессы рудообразования 
представляют собой подвижную систему, так как основными поставщиками вещества на земную поверхность являются продукты 
извержения вулканов. С самого начала подачи магмы из магматического очага в область земной поверхности резко меняются физикохимические условия ее существования. За стадией образования следует разрушение, затем процессы растворения и экстракции вещества, его перенос и переотложение в земной коре. Здесь очень эффективным является гидротермальный процесс – высокоподвижный, 
часто агрессивный, способный разрушать минералы, а экстрагированные металлы переносить на большие расстояния, отлагая их на 
новых площадях с образованием месторождений полезных ископаемых. Необходимо отметить, что в приповерхностных частях земной 
коры формирование месторождений в большой степени зависит от 
процесса концентрации полезных ископаемых, находившихся ранее 
в рассеянном состоянии в горных породах, появившихся в земной 
коре в результате многочисленных извержений минеральных масс из 
глубинных слоев Земли.  

1.2. Вулканизм – источник минералообразования 

Все, что окружает нас, является производным самой Земли. Земная кора, глубина нижней границы которой составляет порядка 
130 км, целиком является продуктом вулканической и тектонической 
деятельности. Горные породы, минералы, руды – все это природные 
вещества, поднятые на поверхность земли силой вулканических из

вержений. Не касаясь многочисленных гипотез образования самой 
Земли, рассмотрим механизм формирования земной коры, которая, в 
определенной мере, доступна наблюдению, а для человечества является кладезем полезных ископаемых. Земная кора образовалась в результате периодических поднятий и выбросов на поверхность огненно-жидких объемов минеральных веществ из мантии или пограничных горизонтов земной коры и мантии. В течение миллиардов лет и 
до сих пор вулканические продукты поступают в верхние горизонты 
земной коры, наращивают и формируют ее поверхность, обогащая 
теми или иными полезными компонентами. Возникновение магмы 
обычно связывают либо с радиоактивными процессами в недрах 
Земли, либо с геотектоническими подвижками отдельных блоков 
земной коры. Все эти явления приводят к локальному перегреву и 
затем плавлению пород, находящихся в зоне подвижек. 
Ничто в природе не вызывает такого ужаса, как крупнейшие вулканические извержения (рис. 1.2). Вулканы многолики, в момент извержения они безжалостно губят все живое. В то же время, обогащая 
поверхностный слой земли минеральными составляющими, они повышают плодородие почв. Значительная часть поверхности земли, не 
говоря уже о глубоководных областях океанического дна, сложена 
вулканическими породами, с которыми связаны огромные минеральные богатства. 

 

Рис. 1.2. Извержение одного из вулканов Исландии 

Термин «вулкан» – собирательный. Вулкан – это отверстие (кратер, жерло), из которого расплавленное вещество недр с газовой фазой поступает на поверхность суши или дно океана. Вулкан – это еще 

и гора, возникшая путем кристаллизации излившегося из жерла преимущественно силикатного материала (рис. 1.3). Поведение вулканов 
разнообразно. Оно определяется физическим состоянием магматического очага и химическим составом расплава, а также условиями окружающей среды по пути движения магмы из резервуара в верхние 
слои земной коры. В течение всей геологической истории на поверхность земли выносились продукты, в составе которых фиксируются 
все элементы таблицы Менделеева, поэтому справедливо считать, 
что металлургия начинается с геологии. Геологи добывают, а металлурги перерабатывают природные запасы, время образования и механизм накопления которых не всегда известен. 

 

Рис. 1.3. Извержение вулкана Карымский (Камчатка) в сентябре 2002 г 

Движение магмы из недр магматического резервуара (очага) происходит по разломам и трещинам к земной поверхности. Подъем огненно-жидкой магмы осуществляется под влиянием постоянно действующих геотектонических процессов. На глубине очага, когда давление растворенных в магме газов становится больше давления вышележащих толщ горных пород, газы начинают стремительно продвигаться в верхние части очага и увлекают жидкую магму к поверхности земли. В некоторых случаях газовое давление создается во 
время кристаллизации безводных минералов из магмы еще в очаге. 
Тогда остаточный магматический расплав обогащается огромным 
количеством газов и парами воды. При этом магма как бы вскипает. 
Интенсивное выделение газообразных веществ в очаге создает высокое давление, которое и является одной из причин извержения вулканов. 
Типы вулканических извержений многообразны. При извержении 
из кратера на поверхность земли вытекает магматический расплав в 
виде лавы. Лава – это раскаленная жидкая масса, выжимаемая из 

жерла вулкана. Застывшая на поверхности земли лава представляет 
собой стеклоподобное вещество (эффузивную породу) (рис. 1.4). 
Температура лавы в большой степени зависит от химического состава магматического расплава и содержания газовой фазы. Камчатские 
вулканы при извержении исторгают лаву, температура которой колеблется от 700 до 1200 °С. 

 

Рис. 1.4. Фрагмент застывшей лавы 

На характер начала извержений оказывает влияние вязкость лавы. 
В случае если лава жидкоподвижна, ее продукты спокойно вытекают 
из жерла на поверхность земли. При этом растворенные в ней газы 
медленно выделяются по мере приближения расплава к вершине 
вулкана. Высококремнистые расплавы обладают высокой вязкостью, 
что создает трудности при выделении из нее газов. При извержении 
вязкого расплава выделение газов происходит внезапно и с огромной 
разрушительной силой. В небо поднимаются газы, пепел и обломки 
пород вулканического кратера. В этом случае пепел возникает в результате распыления жидких и твердых лав различного состава. Так 
во время извержения на Камчатке вулкана Безымянный пепел был 
поднят в атмосферу на высоту 45 км, а мощные потоки воздуха донесли его до Великобритании. При извержении в 1883 г. вулкана Каратау (Индонезия) клубы пыли облетели земной шар два раза. Извержением века называют продолжавшуюся 1,5 года (1975–1976 гг.) 
«жизнь» вулкана Толбачик (Камчатка). Неожиданно, в 18 км от ранее 

действующего вулкана, поднялась в небо на 2,5 км огненная свеча, 
затем на 12 км – столб пыли. Последовательно вскрывались новые 
трещины, образовывались новые вулканы. В результате все вокруг 
на много километров было превращено в выжженную пустыню. 
Еще один пример молодого вулканизма, позволяющий расширить 
наши знания о типах земного магматизма. Самый активный и самый 
молодой (его возраст 6 тыс. лет) вулкан Карымский на Камчатке (см. 
рис. 1.3) в течение XX в. извергался 23 раза, вынося на поверхность 
земли огромные массы магматического материала. Каждое извержение сопровождалось взрывами, выбросами вулканических бомб и 
обломков пород. Вязкие лавы постепенно наращивали верхний купол 
вулкана. Знаменательно, что каждое из извержений сопровождалось 
подводными излияниями лавы в озере, которое находилось в 6 км от 
вулкана. Температура в озере постепенно повышалась, и вода вскипала. Одновременно изменялся состав воды, содержание кислот достигло такой концентрации, что в озере погибло все живое. Таким образом, в результате вулканической деятельности пресное озеро превратилось в большой естественный резервуар кислотосодержащего 
водного раствора. И этот случай не единственный. На гребне кратера 
Малый Семячик (Камчатка) на глубине 170 м находится необычное 
кислотное озеро (рис. 1.5) с температурой ∼ 27…45 °С. Его минерализация соответствует раствору серной и соляной кислоты средней 
концентрации. Ширина озера 40 м, глубина 140 м.  

 

Рис. 1.5. Озеро серной кислоты в кратере вулкана Малый Семячик. 
На заднем плане виден вулкан Карымский (Камчатка) 

При извержении не вся магма поднимается до уровня жерла вулкана и вытекает в виде лавы наружу. Часть магмы остается в глубине 
вулкана, образуя магматические тела. Такие породы называются интрузивными. Кристаллизация интрузивных пород протекает в усло