Петрография

Петрографическая подколлекция

Глинистая матрица в кварце/песчанике

Петрогра́фия (от греч. πέτρος — камень и греч. γράφω — писать) — изучает горные породы, из которых состоит земная кора. С момента своего формирования земная кора постоянно изменяется под воздействием различных сил. Эти силы подразделяются на эндогенные, связанные с внутренней теплотой планеты, и экзогенные, возникающие от внешней солнечной энергии. Начало изучения петрографического состава включает анализ вещества пород, их структурно-тектонические особенности, геодинамические реконструкции, создание геофизических моделей, а также предсказание и поиск месторождений полезных ископаемых, гидрогеологические и инженерно-геологические исследования.

История

Начальный, домикроскопический период — вторая половина XVIII века — первая половина XIX века

На ранних этапах своего развития петрография являлась частью геологии. Для анализа горных пород использовались преимущественно натуралистические методы: лупы, паяльные лампы, измерение твёрдости и удельного веса, а также определение химического состава.

Полевошпатовый песчаник-аренит

Основателем российской геологии, минералогии и петрографии считается Михаил Ломоносов, который выдвинул идеи о геологическом времени, происхождении горных пород и связи вулканизма с процессами горообразования. Им же сформулирован принцип актуализма в геологии. Огромная ценность работ Михаила Ломоносова заключается в рациональном методе исследования — от изучения фактов к теории, от теории к практической деятельности. В середине XIX века разработаны первые классификации горных пород (Coquand, 1857 год), которые в общих чертах сохранили свои значения до настоящего времени.

Средний, микроскопический период — вторая половина XIX века — первая половина XX века

В 1828 году английский физик Уильям Николь создал кальцитовую призму, которая поляризует свет. В 1858 году англичанин Генри Сорби внедрил микроскопические методы для изучения горных пород, что значительно изменило петрографию. Он стал пионером микроскопического анализа горных пород при использовании поляризованного света. В развитии микроскопического изучения горных пород на ранних этапах огромную роль сыграли труды Сорби в Англии, Фердинанд Циркеля и Генрих Розенбуша в Германии, Фуке и Мишель-Леви во Франции, Евграфа Фёдорова, Александра Иностранцева, Александра Карпинского и других в России.

В развитие кристаллооптических методик значительный вклад внесли такие исследователи, как Альфред Лакруа (1888 год), Фридрих Фуке (1894 год), Огюст Мишель-Леви (1894 год) и Фридрих Бекке (1906 год). В России в 1892 году Евграф Фёдоров представил теодолитный метод и сконструировал устройство для точного определения констант, которое стало известно как Фёдоровский столик. Методика Фёдорова продолжена Василием Никитиным, Анатолием Болдыревым и другими.

Созданы крупные руководства по систематике и номенклатуре горных пород — трёхтомная петрография Фердинанда Циркеля в 1866 году, микроскопическая физиография минералов и горных пород Генриха Розенбуша (1873—1877 годы). В дальнейшем Стивеном Шендом (1927 год), Ф. Джохансеном (1931 год), Паулем Ниггли (1931 год), Борисом Куплетским (1939 год) и другими созданы количественно-минералогические классификации магматических пород. Систематика горных пород по химическому составу разрабатывалась Стивеном Шендом, Генри Розенбушем, А. Озанном, группой американских петрографов — Чарльзом Кроссом, Джозефом Иддингсом, Лестером Пирсоном (1904 год), Генри Вашингтоном, в СССР — Францем Левинсон-Лессингом, Александром Заварицким (1936 год), Дмитрием Штейнбергом, Евгением Кузнецовым.

Современная петрография

Современная петрография как наука уже несколько лет использует наиболее усовершенствованные средства для изучения минералогического и химического состава горных пород, их строение, условия залегания, а также изменение их в течение времени.

Со времён появления новейших электронных микроскопов, в изучении шлифов методы электронной микроскопии, для развития петрографии как науки открылись широкие просторы. Современные поляризационные микроскопы дали возможность изучать горные породы специальными петрографическими методами, среди которых различают полевые и лабораторные:

1. Полевой петрографический метод исследования состоит в анализе и изучении условий залегания ископаемых. А также их взаимосвязь с другими породами

2. Лабораторный метод заключаются в изучении химического состава горных пород с помощью химического и спектрального анализов. В данном случае часто используется микроскопическое и электронноскопическое изучение. Важными лабораторными методами являются рентгеноструктурный, термический и другие виды анализов.

Предмет изучения

Все горные породы можно разделить на две главные категории: эндогенные (к которым относятся магматические, метаморфические и метасоматические) и экзогенные (осадочные породы). Предметом петрографии являются магматические и метаморфические породы, тогда как исследования осадочных пород являются предметом отдельной науки — литологии.

Разделы и смежные науки

По характеру изучаемых свойств и применяемым методам выделяют следующие разделы петрографии:

• Петрохимия;
• Петрофизика;
• Петротектоника:
• Физико-химическая и экспериментальная петрография;
• Техническая петрография;
• Космическая петрография.

Петрография тесно связана с:

• петрологией;
• вулканологией;
• планетологией;
• сейсмологией;
• геотектоникой;
• минералогией;
• геохимией;
• литологией;
• седиментологией;
• кристаллохимией;
• космохимией;
• стратиграфией;
• материаловедением;
• геологией полезных ископаемых.

Методы исследования

Петрография, как научная дисциплина, применяет различные методы исследования. Главным образом используется кристаллооптический метод, который позволяет изучить тонкозернистые минералы. Для этого применяются поляризационный микроскоп и другие инструменты, активно функционируют методы спектроскопии и рентгеноскопии. Данный подход даёт возможность выявлять редкие примеси в горных породах. Химический состав минералов анализируется с использованием микроанализаторов непосредственно в горных образцах, без предварительного выделения минералов. Определение состава пород также осуществляется посредством химического анализа. Физические исследования горных пород и их минералов направлены на получение информации о множестве физических характеристик, таких как плотность, тепловое расширение, твёрдость, сжимаемость, вязкость, скорость сейсмических волн, а также их магнитные и электрические свойства.

С середины XX века петрография всё активнее внедряет математические методы с использованием вычислительной техники. Применяются методы математической статистики для оценки достоверности химических и спектральных анализов, построения классификаций пород и определения характеристик для поиска полезных ископаемых. Совмещение геологических и петрографических методов позволяет понять, как различные типы горных пород способствуют формированию и развитию земной коры.

Петрография осадочных пород

Петрография осадочных пород является одной из областей литологии, занимающейся классификацией осадочных пород, а также анализом их химического и минерального состава, структуры и текстуры. Осадочные горные породы состоят из двух основных групп компонентов: аллотигенных и аутигенных.

Аллотигенные компоненты представляют собой фрагменты минералов и горных пород различных размеров, которые попадают в бассейн осадкообразования из окружающей среды. К таким компонентам можно отнести песчинки, формирующие песчаник, пирокластические продукты, образующиеся в результате вулканической активности, и другие элементы.

Аутигенные компоненты образуются путём выделения минеральных веществ из естественных растворов или в результате различных обменных реакций в осадках или породах. К ним относятся: седиментогенные, диагенетические, катагенетические, метагенетические элементы, а также компоненты, возникшие из вторичных изменений. Примерами таких компонентов служат коралловый известняк, диагенетический пирит, цемент из кальцита в песчаниках, гипс и другие.

Магматические процессы

Магматические горные породы (магматиты) — конечные продукты магматической деятельности, возникшие в результате затвердевания природного расплава (магмы, лавы). Переход расплава в твёрдое состояние сопровождается кристаллизацией вещества. В результате процессов дифференциации, ассимиляции и гибридизма магмы образуются разные по химическому составу производные расплавы, из которых кристаллизовались разнообразные виды магматических пород. Магматические породы играют важную роль в строении земной коры, образуя геологические тела различных форм и размеров, составов и структур.

Нет единой классификации магматических пород. Трудность её создания объясняется разнообразием условий образования данных пород, отсутствием чётких границ между отдельными типами и разновидностями пород, которые связаны между собой постепенными структурными переходами.

Наиболее широко распространены классификации признакам:

• условия образования и залегания, структурные особенности пород;
• химический состав пород;
• количественные соотношения главных породообразующих минералов в породах.

Пегматитовые, контактовые, гидротермальные процессы

Пегматитовый процесс приводит к образованию крупнокристаллических горных пород (пегматитов) в виде жил, гнёзд, линз, даек во вмещающих горных породах. Чаще всего пегматиты состоят из калиевого полевого шпата, кварца, слюды, амфиболов.

Пневматолитовый процесс (pneuma — дуновение, пар, газ) проявляется на контакте внедрившейся магмы с вмещающими породами и выражается в том, что летучие (газовые) компоненты, выделенные из магмы, либо кристаллизуются в контактовой зоне, либо вызывают метасоматоз. Метасоматоз — замещение привнесёнными минеральными соединениями минералов контактовой зоны.

Гидротермальный процесс (древнегреч. hudor — вода) выражается в проникновении в трещины вмещающих пород горячих водных растворов и образовании в них минеральных отложений. Также возникновении так называемых гидротермальных жил.

Метаморфические процессы

Метаморфизм (от греч. μεταμορφόομαι — изменяться, превращаться) представляет собой процесс перекристаллизации горных пород, который сопровождается изменениями в их минеральном и химическом составе. В результате этого процесса исходные породы трансформируются в метаморфические.

Как правило, метаморфизм происходит под воздействием эндогенных высокотемпературных водных флюидов и литостатического давления верхних слоев Земли. В отличие от таких процессов, как диагенез, катагенез и метагенез, которые определяются температурой теплового поля Земли (геотермическим градиентом), метаморфизм происходит при более высоких температурах, вызванных подъёмом флюидов из глубоких зон планеты, особенно из мантийных магматических очагов. Таким образом, геотермический градиент лишь задаёт нижнюю границу температур для метаморфизма на разных глубинах. Температура метаморфизма варьируется в пределах от 200 °C (некоторые учёные указывают на 350 °C) до более чем 1000 °C, в то время как давление колеблется от 200—300 до 1000—1500 МПа и выше. Глубина метаморфических зон значительно изменяется, а геологическое время не является критическим фактором для этого процесса, что позволяет как древним, так и молодым породам метаморфизироваться в равной степени.