stringtranslate.com

Горная порода (геология)

Большой Каньон — разрез в слоях осадочных пород.

В геологии скала (или камень ) — это любая природная твердая масса или агрегат минералов или минералоидного вещества. Она классифицируется по включенным минералам, ее химическому составу и способу образования. Скалы образуют внешний твердый слой Земли, кору , и большую часть ее недр, за исключением жидкого внешнего ядра и карманов магмы в астеносфере . Изучение скал включает в себя несколько разделов геологии, включая петрологию и минералогию . Оно может быть ограничено скалами, найденными на Земле, или может включать планетарную геологию , которая изучает скалы других небесных объектов.

Горные породы обычно группируются в три основные группы: магматические породы , осадочные породы и метаморфические породы . Магматические породы образуются, когда магма остывает в земной коре или лава остывает на поверхности земли или на морском дне. Осадочные породы образуются в результате диагенеза и литификации осадков , которые, в свою очередь, образуются в результате выветривания , переноса и отложения существующих пород. Метаморфические породы образуются , когда существующие породы подвергаются таким высоким давлениям и температурам, что они трансформируются без значительного плавления.

Человечество использовало камни с самых первых людей. Этот ранний период, называемый каменным веком , ознаменовался разработкой множества каменных орудий. Камень затем использовался в качестве основного компонента при строительстве зданий и ранней инфраструктуры . Добыча полезных ископаемых развивалась для извлечения камней из Земли и получения из них полезных ископаемых, включая металлы . Современные технологии позволили разрабатывать новые рукотворные камни и камнеподобные вещества, такие как бетон .

Изучать

Геология — это изучение Земли и ее компонентов, включая изучение горных пород. Петрология — это изучение характера и происхождения горных пород. Минералогия — это изучение минеральных компонентов, которые создают горные породы. Изучение горных пород и их компонентов внесло вклад в геологическое понимание истории Земли, археологическое понимание истории человечества и развитие техники и технологий в человеческом обществе. [1]

Хотя история геологии включает в себя множество теорий о горных породах и их происхождении, которые сохранялись на протяжении всей истории человечества, изучение горных пород было разработано как формальная наука в 19 веке. Плутонизм был разработан как теория в это время, а открытие радиоактивного распада в 1896 году позволило провести радиоуглеродное датирование горных пород. Понимание тектоники плит развилось во второй половине 20 века. [2]

Классификация

Балансирующий камень , называемый Куммакиви (буквально «странный камень» ) [3]

Горные породы в основном состоят из зерен минералов, которые представляют собой кристаллические твердые тела, образованные из атомов, химически связанных в упорядоченную структуру. [4] : 3  Некоторые горные породы также содержат минералоиды , которые являются жесткими, минералоподобными веществами, такими как вулканическое стекло , [5] : 55, 79  , которые не имеют кристаллической структуры. Типы и распространенность минералов в горной породе определяются способом, которым она была образована.

Большинство горных пород содержат силикатные минералы , соединения, которые включают тетраэдры кремния в своей кристаллической решетке , и составляют около одной трети всех известных минеральных видов и около 95% земной коры . [6] Доля кремния в горных породах и минералах является основным фактором, определяющим их названия и свойства. [7]

Скальный выход вдоль горного ручья недалеко от Ороси , Коста-Рика .

Породы классифицируются по таким характеристикам, как минеральный и химический состав, проницаемость , текстура составляющих частиц и размер частиц . Эти физические свойства являются результатом процессов, в результате которых образовались породы. [5] С течением времени породы могут трансформироваться из одного типа в другой, как описано в геологической модели, называемой циклом горных пород . Это преобразование производит три общих класса пород: магматические , осадочные и метаморфические .

Эти три класса подразделяются на множество групп. Однако между родственными породами нет жестких и четких границ. По мере увеличения или уменьшения пропорций своих минералов они переходят из одной в другую; таким образом можно проследить отличительные структуры одного вида породы, постепенно сливающиеся с таковыми другого. Поэтому определения, принятые в названиях пород, просто соответствуют выбранным точкам в непрерывно градуированной серии. [8]

Магматическая порода

Образец магматического габбро

Магматическая порода (происходит от латинского слова igneus, что означает огонь, от ignis , что означает огонь) [9] образуется в результате охлаждения и затвердевания магмы или лавы . Эта магма может быть получена из частичного расплавления ранее существовавших пород либо в мантии , либо в коре планеты . Обычно плавление пород вызвано одним или несколькими из трех процессов: повышением температуры, понижением давления или изменением состава. [10] : 591–599 

Магматические породы делятся на две основные категории:

Магмы, как правило, становятся богаче кремнеземом по мере того, как они поднимаются к поверхности Земли, этот процесс называется дифференциацией магмы . Это происходит как из-за того, что минералы с низким содержанием кремнезема кристаллизуются из магмы, когда она начинает остывать ( реакционная серия Боуэна ), так и из-за того, что магма ассимилирует часть корковой породы, через которую она поднимается ( вмещающая порода ), а коровая порода, как правило, содержит много кремнезема. Таким образом, содержание кремнезема является наиболее важным химическим критерием для классификации магматических пород. [7] Следующим по важности является содержание оксидов щелочных металлов . [11]

Около 65% земной коры по объему состоит из магматических пород. Из них 66% — базальт и габбро , 16% — гранит и 17% — гранодиорит и диорит . Только 0,6% — сиенит и 0,3% — ультраосновные . Океаническая кора на 99% состоит из базальта, который является магматической породой основного состава. Гранит и подобные породы, известные как гранитоиды , доминируют в континентальной коре . [12] [13]

Осадочная порода

Осадочный песчаник с полосами оксида железа

Осадочные породы образуются на поверхности земли путем накопления и цементации фрагментов более ранних пород, минералов и организмов [14] или в виде химических осадков и органических наростов в воде ( седиментация ). Этот процесс приводит к тому, что обломочные осадки (куски породы) или органические частицы ( детрит ) оседают и накапливаются или минералы химически осаждаться ( эвапорит ) из раствора . Затем твердые частицы подвергаются уплотнению и цементации при умеренных температурах и давлениях ( диагенез ). [5] : 265–280  [15] : 147–154 

Перед тем, как отложиться, осадки образуются в результате выветривания более ранних пород путем эрозии в области источника, а затем переносятся к месту отложения водой , ветром , льдом , движением масс или ледниками (агенты денудации ). [5] Около 7,9% земной коры по объему состоит из осадочных пород, причем 82% из них являются сланцами, а остальная часть состоит из 6% известняка и 12% песчаника и аркозов . [13] Осадочные породы часто содержат ископаемые остатки . Осадочные породы образуются под действием силы тяжести и, как правило, отлагаются в горизонтальных или почти горизонтальных слоях или пластах , и могут называться слоистыми породами. [16]

Осадок и частицы обломочных осадочных пород могут быть далее классифицированы по размеру зерна . Самые мелкие осадки — это глина , за которой следуют ил , песок и гравий . Некоторые системы включают в себя булыжники и валуны в качестве измерений. [17]

Метаморфическая горная порода

Метаморфический полосчатый гнейс

Метаморфические породы образуются, когда любой тип породы — осадочная порода, магматическая порода или другая более старая метаморфическая порода — подвергается воздействию температуры и давления, отличных от тех, в которых образовалась исходная порода. Этот процесс называется метаморфизмом , что означает «изменение формы». Результатом является глубокое изменение физических свойств и химии камня. Исходная порода, известная как протолит , трансформируется в другие типы минералов или другие формы тех же минералов путем перекристаллизации . [5] Температуры и давления, необходимые для этого процесса, всегда выше, чем те, которые встречаются на поверхности Земли: температуры выше 150–200 °C и давления выше 1500 бар. [18] Это происходит, например, при столкновении континентальных плит . [19] : 31–33, 134–139  ​​Метаморфические породы составляют 27,4% земной коры по объему. [13]

Три основных класса метаморфических пород основаны на механизме формирования. Вторжение магмы, которое нагревает окружающую породу, вызывает контактный метаморфизм — преобразование, доминирующее температурой. Метаморфизм давления происходит, когда отложения залегают глубоко под землей; давление доминирует, а температура играет меньшую роль. Это называется метаморфизмом захоронения, и это может привести к таким породам, как нефрит . Когда и тепло, и давление играют роль, механизм называется региональным метаморфизмом. Это обычно встречается в регионах горообразования. [7]

В зависимости от структуры метаморфические породы делятся на две основные категории. Те, которые обладают текстурой, называются листоватыми ; остальные называются нелистоватыми. Название породы затем определяется на основе типов присутствующих минералов. Сланцы — это листоватые породы, которые в основном состоят из пластинчатых минералов, таких как слюды . Гнейс имеет видимые полосы различной светлоты , с распространенным примером является гранитный гнейс. Другие разновидности листоватой породы включают сланцы , филлиты и милонит . Знакомые примеры нелистоватой метаморфической породы включают мрамор , тальковый камень и серпентин . Эта ветвь содержит кварцит — метаморфизованную форму песчаника — и роговики . [7]

Внеземные камни

Хотя большинство знаний о камнях получено на основе знаний о Земле, камни составляют многие небесные тела Вселенной. В Солнечной системе Марс , Венера и Меркурий состоят из камня, как и многие естественные спутники , астероиды и метеороиды . Метеориты , падающие на Землю, предоставляют доказательства внеземных камней и их состава. Они, как правило, тяжелее камней на Земле. Астероидные камни также могут быть доставлены на Землю с помощью космических миссий, таких как миссия Хаябуса . [20] Лунные и марсианские камни также были изучены. [21]

Использование человеком

Церемониальная пирамида из камней, овоо , из Монголии

Использование камня оказало огромное влияние на культурное и технологическое развитие человеческой расы. Камень использовался людьми и другими гоминидами по крайней мере 2,5 миллиона лет . [22] Литическая технология отмечает некоторые из самых старых и постоянно используемых технологий. Добыча камня для содержания в нем металла была одним из важнейших факторов человеческого прогресса и прогрессировала с разной скоростью в разных местах, отчасти из-за вида металлов, доступных в камне региона.

Антропный рок

Антропная порода — это синтетическая или реструктурированная порода, образованная в результате деятельности человека. Бетон считается искусственной породой, состоящей из природных и обработанных пород, и разрабатываемой со времен Древнего Рима . [23] Камень также может быть модифицирован другими веществами для разработки новых форм, таких как эпоксидный гранит . [24] Также был разработан искусственный камень , такой как камень Коуд . [25] Геолог Джеймс Р. Андервуд предложил антропогенную породу как четвертый класс пород наряду с магматическими, осадочными и метаморфическими. [26]

Здание

Каменный дом на холме в Састамале , Финляндия.
Высокая грядка с натуральными камнями

Прочность горных пород сильно различается: от кварцитов , имеющих предел прочности на разрыв более 300 МПа [27], до осадочных пород, настолько мягких, что их можно раскрошить голыми пальцами (то есть они рыхлые ). [28] (Для сравнения, прочность на разрыв конструкционной стали составляет около 350 МПа. [29] ) Относительно мягкие, легко обрабатываемые осадочные породы добывались для строительства еще в 4000 году до н. э. в Египте, [30] а камень использовался для строительства укреплений во Внутренней Монголии еще в 2800 году до н. э. [31] Мягкая порода, туф , распространена в Италии, и римляне использовали ее для многих зданий и мостов. [32] Известняк широко использовался в строительстве в Средние века в Европе [33] и оставался популярным в 20 веке. [34]

Добыча полезных ископаемых

Урановый рудник Ми Вида недалеко от Моаба, штат Юта

Добыча полезных ископаемых — это извлечение ценных минералов или других геологических материалов из земли, из рудного тела, жилы или пласта . [35] Термин также включает удаление почвы. Материалы, извлекаемые путем добычи, включают цветные металлы , драгоценные металлы , железо , уран , уголь , алмазы , известняк , горючий сланец , каменную соль , поташ , строительный заполнитель и блочный камень . Добыча полезных ископаемых требуется для получения любого материала, который не может быть выращен с помощью сельскохозяйственных процессов или создан искусственно в лаборатории или на заводе . Добыча полезных ископаемых в более широком смысле включает в себя извлечение любого ресурса (например , нефти , природного газа , соли или даже воды ) из земли. [36]

Добыча горных пород и металлов ведется с доисторических времен. Современные процессы добычи включают разведку месторождений полезных ископаемых, анализ потенциальной прибыли предлагаемой шахты, извлечение желаемых материалов и, наконец, рекультивацию земли для подготовки ее к другим видам использования после прекращения добычи. [37]

Процессы добычи полезных ископаемых могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду как во время добычи полезных ископаемых, так и в течение многих лет после ее прекращения. Эти потенциальные воздействия привели к тому, что большинство стран мира приняли правила для управления негативными эффектами горнодобывающей деятельности. [38]

Инструменты

Каменные орудия использовались людьми и более ранними гоминидами в течение миллионов лет . Каменный век был периодом широкого использования каменных орудий. [39] Ранние орудия каменного века представляли собой простые орудия, такие как отбойные камни и острые отщепы. Орудия среднего каменного века имели заостренные концы, которые использовались в качестве наконечников метательных снарядов , шил или скребков . Орудия позднего каменного века были разработаны с мастерством и отчетливой культурной самобытностью. [40] Каменные орудия были в значительной степени вытеснены медными и бронзовыми орудиями после развития металлургии .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Haldar, SK (2013). "Введение". Введение в минералогию и петрологию . Elsevier Science. стр. 1–37. ISBN 9780124167100.
  2. ^ О'Хара, Киран Д. (2018). «Структура геологических революций». Краткая история геологии (1-е изд.). Cambridge University Press. стр. 247–259. doi :10.1017/9781316809990.013. ISBN 978-1-316-80999-0.
  3. ^ Куммакиви, Unusual Places.org.
  4. ^ Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN 9780195106916.
  5. ^ abcdef Блатт, Харви; Трейси, Роберт Дж. (1996). Петрология (2-е изд.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-2438-4.
  6. ^ Хайнен, Воутер; Олер, Джон Х. (1979). «Эволюционные аспекты биологического участия в круговороте кремния». В Трудингер, ПА; Свейн, DJ (ред.). Биогеохимический круговорот минералообразующих элементов . Амстердам: Elsevier. стр. 431. ISBN 9780080874623. Получено 13 апреля 2020 г. .
  7. ^ abcd Уилсон, Джеймс Роберт (1995), Путеводитель коллекционера по местонахождениям горных пород, минералов и ископаемых в штате Юта, Геологическая служба штата Юта, стр. 1–22, ISBN 978-1-55791-336-4, архивировано из оригинала 19 ноября 2016 года.
  8. ^   Одно или несколько из предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в общественном достоянии :  Флетт, Джон Смит (1911). «Петрология». В Чисхолм, Хью (ред.). Encyclopaedia Britannica . Т. 21 (11-е изд.). Cambridge University Press. стр. 327.
  9. ^ ""изверженный, прил."". OED Online . Oxford University Press. Март 2021 г. Получено 17 апреля 2021 г.
  10. ^ Филпоттс, Энтони Р.; Агу, Джей Дж. (2009). Принципы магматической и метаморфической петрологии (2-е изд.). Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press. ISBN 9780521880060.
  11. ^ Le Maitre, RW; Streckeisen, A.; Zanettin, B.; Le Bas, MJ; Bonin, B.; Bateman, P.; Bellieni, G.; Dudek, A.; Efremova, S.; Keller, J.; Lamere, J.; Sabine, PA; Schmid, R.; Sorensen, H.; Woolley, AR, ред. (2002). Магматические породы: классификация и глоссарий терминов, рекомендации Международного союза геологических наук, Подкомиссия по систематике магматических пород (2-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-66215-X.
  12. ^ Конди, Кент С. (2015). Тектоника плит и эволюция земной коры (2-е изд.). Нью-Йорк: Pergamon. стр. 68. ISBN 9781483100142. Получено 13 апреля 2020 г. .
  13. ^ abc Bucher, Kurt; Grapes, Rodney (2011), Петрогенез метаморфических пород, Гейдельберг: Springer, стр. 23–24, ISBN 978-3-540-74168-8, архивировано из оригинала 19 ноября 2016 года.
  14. ^ Джилли, Джеймс (1959). Принципы геологии . WH Freeman.
  15. ^ Боггс, Сэм (2006). Принципы седиментологии и стратиграфии (4-е изд.). Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall. ISBN 0131547283.
  16. ^ Монро, Джеймс С.; Викандер, Рид (2008). Изменение Земли: Исследование геологии и эволюции (5-е изд.). Белмонт, Калифорния: Brooks/Cole. стр. 438. ISBN 9780495554806. Получено 13 апреля 2020 г. .
  17. ^ Блотт, Саймон Дж.; Пай, Кеннет (2012). «Шкалы размеров частиц и классификация типов осадков на основе распределения размеров частиц: обзор и рекомендуемые процедуры». Седиментология . 59 (7): 2071–2096. Bibcode : 2012Sedim..59.2071B. doi : 10.1111/j.1365-3091.2012.01335.x. ISSN  0037-0746. S2CID  130084299.
  18. ^ Блатт, Харви и Роберт Дж. Трейси, Петрология , WHFreeman, 2-е изд., 1996, стр. 355 ISBN 0-7167-2438-3 
  19. ^ Лилли, Роберт Дж. (2005). Парки и плиты: геология наших национальных парков, памятников и морских побережий (1-е изд.). Нью-Йорк: WW Norton. ISBN 0393924076.
  20. ^ Квок, Сан (2013). «Камни и пыль в планетарном районе». Звездная пыль: космические семена жизни. Вселенная астрономов. Springer. стр. 11–23. doi :10.1007/978-3-642-32802-2_2. ISBN 9783642328022.
  21. ^ Аллен, Карлтон; Олтон, Джудит; Лофгрен, Гэри; Райтер, Кевин; Золенски, Майкл (2011). «Кураторство внеземных образцов НАСА — прошлое, настоящее и будущее». Геохимия . 71 (1): 1–20. Bibcode : 2011ChEG...71....1A. doi : 10.1016/j.chemer.2010.12.003. hdl : 2060/20100042395 .
  22. ^ Уильям Хэвиленд, Дэна Уолрат, Харальд Принс, Банни Макбрайд, Эволюция и предыстория: человеческий вызов , стр. 166
  23. ^ Фукс, Питер Г.; Уокер, Майк Дж. (2010). «Бетон: искусственный камень?». Geology Today . 26 (2): 65–71. Bibcode : 2010GeolT..26...65F. doi : 10.1111/j.1365-2451.2010.00748.x. S2CID  129456840.
  24. ^ МакКеон, PA; Морган, GH (1979). «Эпоксидный гранит: конструкционный материал для точных машин». Precision Engineering . 1 (4): 227–229. doi :10.1016/0141-6359(79)90104-1.
  25. ^ Фристоун, Ян (1 января 1991 г.). «Забытый, но не потерянный: секрет камня Коуд». Труды Ассоциации геологов . 102 (2): 135–138. Bibcode : 1991PrGA..102..135F. doi : 10.1016/S0016-7878(08)80072-7. ISSN  0016-7878.
  26. ^ Андервуд, Джеймс Р. (1 февраля 2001 г.). «Антропные породы как четвертый базовый класс». Environmental and Engineering Geoscience . 7 (1): 104–110. Bibcode : 2001EEGeo...7..104U. doi : 10.2113/gseegeosci.7.1.104. ISSN  1078-7275.
  27. ^ Амадей, Б. "Прочностные свойства горных пород и скальных массивов" (PDF) . Гражданское, экологическое и архитектурное проектирование . Университет Колорадо в Боулдере . Получено 18 апреля 2021 г. .
  28. ^ Джексон, Джулия А., ред. (1997). "Friable". Словарь геологии (четвертое изд.). Александрия, Вирджиния: Американский геологический институт. ISBN 0922152349.
  29. ^ Бьорховде, Рейдар (2004). «Разработка и использование высокопроизводительной стали». Журнал исследований конструкционной стали . 60 (3–5): 393–400. doi :10.1016/S0143-974X(03)00118-4.
  30. ^ Клемм, Дитрих Д.; Клемм, Розмари (2001). «Строительные камни Древнего Египта – дар его геологии». Журнал африканских наук о Земле . 33 (3–4): 631–642. Bibcode : 2001JAfES..33..631K. doi : 10.1016/S0899-5362(01)00085-9.
  31. ^ Шелах, Гидеон ; Рафаэль, Кейт; Джаффе, Ицхак (2011). «Саньцзуодянь: структура, функция и социальное значение самых ранних каменных укрепленных мест в Китае». Antiquity . 85 (327): 11–26. doi :10.1017/S0003598X00067405. S2CID  163488276.
  32. ^ Джексон, МД; Марра, Ф.; Хей, Р.Л.; Кавуд, К.; Винклер, Э.М. (2005). «Разумный выбор и сохранение строительного камня из туфа и травертина в Древнем Риме*». Археометрия . 47 (3): 485–510. doi : 10.1111/j.1475-4754.2005.00215.x .
  33. ^ Эшерст, Джон; Даймс, Фрэнсис Г. (1998). Сохранение строительного и декоративного камня. Баттерворт-Хайнеманн. стр. 117. ISBN 978-0-7506-3898-2.
  34. ^ "Добро пожаловать в город известняка". Архивировано из оригинала 20 февраля 2008 года . Получено 13 февраля 2008 года .
  35. ^ Гаджул, Шехар (28 июля 2018 г.). «Рынок оборудования для подземной добычи полезных ископаемых 2017 г. Ключевые игроки в мире, доля, проблемы, размер отрасли, возможности роста и прогноз до 2021 г.». Journalist Book . Архивировано из оригинала 28 июля 2018 г. Получено 28 июля 2018 г.
  36. ^ Botin, JA, ред. (2009). Устойчивое управление горнодобывающими работами . Денвер, Колорадо: Общество горного дела, металлургии и разведки. ISBN 978-0-87335-267-3.
  37. ^ Уилсон, Артур (1996). Живой камень: история металлов с древнейших времен и их влияние на развитие цивилизации . Кембридж, Англия: Woodhead Publishing . ISBN 978-1-85573-301-5.
  38. ^ Terrascope. «Экологические риски горнодобывающей промышленности». Будущее стратегических природных ресурсов . Кембридж, Массачусетс: Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 20 сентября 2014 года . Получено 10 сентября 2014 года .
  39. ^ "Раскрыты древнейшие способы использования орудий и употребления мяса в пищу | Музей естественной истории". 18 августа 2010 г. Архивировано из оригинала 18 августа 2010 г.
  40. ^ "Каменные орудия". Программа Смитсоновского института по происхождению человека . Смитсоновский институт. 29 июня 2022 г. Получено 9 августа 2022 г.

Внешние ссылки