В геологии горная порода (или камень ) — это любая естественная твердая масса или совокупность минералов или минералоидного вещества. Его классифицируют по содержащимся в нем минералам, химическому составу и способу его образования. Породы образуют внешний твердый слой Земли, кору и большую часть ее внутренней части, за исключением жидкого внешнего ядра и карманов магмы в астеносфере . Изучение горных пород включает в себя несколько разделов геологии, включая петрологию и минералогию . Оно может быть ограничено камнями, найденными на Земле, или может включать планетарную геологию , изучающую камни других небесных объектов.
Породы обычно группируют 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 морском дне. Осадочные породы образуются в результате диагенеза и литификации отложений , которые , в свою очередь, образуются в результате выветривания , переноса и отложения существующих пород. Метаморфические породы образуются, когда существующие породы подвергаются такому высокому давлению и температуре, что они преобразуются без значительного плавления.
Человечество использовало камни со времен первых людей. В этот ранний период, называемый каменным веком , было изобретено множество каменных орудий труда. Камень затем использовался в качестве основного компонента при строительстве зданий и ранней инфраструктуры . Горное дело было разработано для добычи горных пород из Земли и получения содержащихся в них минералов, включая металлы . Современные технологии позволили разработать новые искусственные породы и камнеподобные вещества, такие как бетон .
Геология — это изучение Земли и ее компонентов, включая изучение горных пород. Петрология – это изучение характера и происхождения горных пород. Минералогия – это изучение минеральных компонентов, образующих горные породы. Изучение горных пород и их компонентов способствовало геологическому пониманию истории Земли, археологическому пониманию истории человечества, а также развитию 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 как формальная наука развилось в XIX веке. В это время был разработан плутонизм как теория, а открытие радиоактивного распада в 1896 году позволило провести радиоуглеродное датирование горных пород. Понимание тектоники плит сложилось во второй половине 20 века. [2]
Горные породы состоят в основном из зерен минералов, которые представляют собой кристаллические твердые вещества , образованные из атомов, химически связанных в упорядоченную структуру. [4] : 3 Некоторые породы также содержат минералоиды , которые представляют собой твердые минералоподобные вещества, такие как вулканическое стекло , [5] : 55, 79 , не имеющее кристаллической структуры. Типы и содержание минералов в горной породе определяются способом ее образования.
Большинство горных пород содержат силикатные минералы — соединения, включающие в свою кристаллическую решетку кремнеземные тетраэдры , и составляют около одной трети всех известных минеральных видов и около 95% земной коры . [6] Доля кремнезема в горных породах и минералах является основным фактором, определяющим их названия и свойства. [7]
Породы классифицируются по таким характеристикам, как минеральный и химический состав, проницаемость , текстура составляющих частиц и размер частиц . Эти физические свойства являются результатом процессов, которые сформировали горные породы. [5] С течением времени горные породы могут трансформироваться из одного типа в другой, как это описано геологической моделью, называемой циклом горных пород . В результате этого преобразования образуются три основных класса горных пород: магматические , осадочные и метаморфические .
Эти три класса подразделяются на множество групп. Однако между родственными породами нет жестких границ. При увеличении или уменьшении пропорций входящих в них минералов они проходят градации от одного к другому; Таким образом, можно проследить характерные структуры одного вида горных пород, постепенно сливающиеся со структурами другого. Следовательно, определения, принятые в названиях горных пород, просто соответствуют выбранным точкам непрерывного градуированного ряда. [8]
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 образоваться в результате частичного расплавления ранее существовавших пород в мантии или коре планеты . Обычно плавление горных пород вызывается одним или несколькими из трех процессов: повышением температуры, понижением давления или изменением состава. [10] : 591–599.
Магматические породы делятся на две основные категории:
Магмы имеют тенденцию становиться богаче кремнеземом по мере того, как они поднимаются к поверхности Земли. Этот процесс называется дифференциацией магмы . Это происходит как потому, что минералы с низким содержанием кремнезема кристаллизуются из магмы, когда она начинает остывать ( ряд реакций Боуэна ), так и потому, что магма ассимилирует часть пород земной коры, через которые она поднимается ( вмещающие породы ), а породы земной коры имеют тенденцию иметь высокое содержание кремнезема. кремнезем. Таким образом, содержание кремнезема является наиболее важным химическим критерием 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, 17% — гранодиорит и диорит . Лишь 0,6% составляют сиениты и 0,3% — ультраосновные . Океаническая кора на 99% состоит из базальта, который представляет собой магматическую породу основного состава. Гранит и подобные ему породы, известные как гранитоиды , преобладают в континентальной коре . [12] [13]
Осадочные породы образуются на поверхности земли в результате накопления и цементации фрагментов более ранних горных пород, минералов и организмов [14] или в виде химических осадков и органических наростов в воде ( седиментация ). Этот процесс приводит к осаждению и накоплению обломочных отложений (кусков породы) или органических частиц ( детрита ) или химического осаждения минералов ( эвапоритов ) из раствора . Затем твердые частицы подвергаются уплотнению и цементации при умеренных температурах и давлениях ( диагенез ). [5] : 265–280 [15] : 147–154
Перед отложением осадки образуются в результате выветривания более ранних пород путем эрозии в районе источника и затем переносятся к месту отложения водой , ветром , льдом , движением масс или ледниками (агентами денудации ). [5] Около 7,9% земной коры по объему состоит из осадочных пород, из которых 82% составляют сланцы, а остальная часть состоит из 6% известняка и 12% песчаника и аркозов . [13] Осадочные породы часто содержат окаменелости . Осадочные породы образуются под действием силы тяжести и обычно откладываются в горизонтальных или почти горизонтальных слоях или слоях и могут называться слоистыми породами. [16]
Осадки и частицы обломочных осадочных пород можно дополнительно классифицировать по размеру зерен . Самые мелкие отложения — глина , за ней следуют ил , песок и гравий . Некоторые системы включают в себя булыжники и валуны в качестве измерений. [17]
Метаморфические породы образуются путем воздействия на любой тип горной породы — осадочной породы, магматической породы или другой более древней метаморфической породы — условий 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 химического состава камня. Исходная порода, известная как протолит , путем рекристаллизации превращается в другие типы минералов или другие формы тех же минералов . [5] Температуры и давления, необходимые для этого процесса, всегда выше, чем на поверхности Земли: температура от 150 до 200 °C и давление выше 1500 бар. [18] Это происходит, например, при столкновении континентальных плит . [19] : 31–33, 134–139 Метаморфические породы слагают 27,4% земной коры по объему. [13]
Три основных класса метаморфических пород основаны на механизме образования. Внедрение магмы, которая нагревает окружающую породу, вызывает контактный метаморфизм — трансформацию, в которой преобладает температура. Барический метаморфизм происходит, когда отложения залегают глубоко под землей; давление является доминирующим, а температура играет меньшую роль. Это называется погребальным метаморфизмом, и в результате него могут образовываться такие породы, как нефрит . Там, где играют роль и тепло, и давление, этот механизм называется региональным метаморфизмом. Обычно это встречается в горных регионах. [7]
В зависимости от строения метаморфические породы делятся на две основные категории. Те, которые обладают текстурой, называются листоватыми ; остатки называются нерасслоенными. Затем название породы определяется на основе типов присутствующих минералов. Сланцы — это слоистые породы, состоящие в основном из пластинчатых минералов, таких как слюда . Гнейс имеет видимые полосы разной светлоты , типичным примером является гранитный гнейс. Другие разновидности слоистых пород включают сланцы , филлиты и милонит . Знакомые примеры нелистистых метаморфических пород включают мрамор , мыльный камень и змеевик . Эта ветвь содержит кварцит — метаморфизованную форму песчаника — и роговики . [7]
Хотя большинство знаний о камнях исходят от жителей Земли, камни составляют многие небесные тела Вселенной. В Солнечной системе Марс , Венера и Меркурий состоят из горных пород, как и многие естественные спутники , астероиды и метеороиды . Метеориты , падающие на Землю, служат доказательством существования внеземных пород и их состава. Обычно они тяжелее камней на Земле. Астероидные породы также могут быть доставлены на Землю с помощью космических миссий, таких как миссия Хаябуса . [20] Лунные и марсианские породы также были изучены. [21]
Использование камня оказало огромное влияние на культурное и технологическое развитие человечества. Камень использовался людьми и другими гоминидами по меньшей мере 2,5 миллиона лет . [22] Каменная технология представляет собой одну из старейших и постоянно используемых технологий. Добыча горных пород на предмет содержания в них металлов была одним из наиболее важных факторов развития человечества и в разных местах развивалась с разной скоростью, отчасти из-за того, какие металлы доступны из горных пород региона.
Антропная порода – это синтетическая или реструктурированная порода, образовавшаяся в результате деятельности человека. Бетон считается искусственным камнем, состоящим из природных и обработанных горных пород и разрабатываемым со времен Древнего Рима . [23] Камень также можно модифицировать с помощью других веществ для создания новых форм, таких как эпоксидный гранит . [24] Также был разработан искусственный камень , например, камень Коад . [25] Геолог Джеймс Р. Андервуд предложил антропные породы как четвертый класс горных пород наряду с магматическими, осадочными и метаморфическими. [26]
Породы сильно различаются по прочности: от кварцитов , имеющих предел прочности более 300 МПа [27], до осадочных пород, настолько мягких, что их можно раскрошить голыми пальцами (т. е. они рыхлые ). [28] (Для сравнения, конструкционная сталь имеет предел прочности около 350 МПа. [29] ) Относительно мягкая, легко обрабатываемая осадочная порода была добыта для строительства еще в 4000 году до нашей эры в Египте, [30] и камень использовался для строительства укрепления во Внутренней Монголии еще в 2800 г. до н.э. [31] Мягкая порода, туф , распространена в Италии, и римляне использовали ее для строительства многих зданий и мостов. [32] Известняк широко использовался в строительстве в средние века в Европе [33] и оставался популярным в 20 веке. [34]
Горное дело – это добыча ценных полезных ископаемых или других геологических материалов из земли, из рудного тела, жилы или пласта . [35] Этот термин также включает удаление почвы. Добыча полезных ископаемых включает цветные металлы , драгоценные металлы , железо , уран , уголь , алмазы , известняк , горючие сланцы , каменную соль , поташ , строительный заполнитель и обмерный камень . Горное дело необходимо для получения любого материала, который нельзя вырастить с помощью сельскохозяйственных процессов или создать искусственно в лаборатории или на заводе . Горное дело в более широком смысле включает в себя добычу любого ресурса (например, нефти , природного газа , соли или даже воды ) из земли. [36]
Добыча камней и металлов ведется с доисторических времен. Современные процессы добычи полезных ископаемых включают разведку месторождений полезных ископаемых, анализ потенциальной прибыли от предлагаемого рудника, добычу желаемых материалов и, наконец, рекультивацию земли для подготовки ее для другого использования после прекращения добычи. [37]
Процессы добычи полезных ископаемых могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду как во время горных работ, так и в течение многих лет после прекращения добычи. Эти потенциальные воздействия привели к тому, что большинство стран мира приняли правила для управления негативными последствиями горнодобывающей деятельности. [38]
Каменные орудия использовались на протяжении миллионов лет людьми и более ранними гоминидами . Каменный век был периодом широкого использования каменных орудий. [39] Инструменты раннего каменного века представляли собой простые орудия, такие как молотки и острые отщепы. Инструменты среднего каменного века имели заостренные концы, которые можно было использовать в качестве метательных наконечников , шил или скребков . Инструменты позднего каменного века были разработаны с мастерством и ярко выраженной культурной самобытностью. [40] Каменные орудия были в значительной степени вытеснены медными и бронзовыми орудиями после развития металлургии .