На протяжении всей истории человечества одним из ключевых факторов устойчивого развития являлся доступ к полезным ископаемым. Под полезными ископаемыми понимаются все природные ресурсы, которые можно извлечь из недр Земли и использовать в различных практических целях. Земля, по общепринятой оценке, имеет возраст 4,5 миллиарда лет, а полезные ископаемые начали формироваться с момента появления твёрдой коры, то есть примерно 2,5 миллиарда лет назад. Каждая геологическая эпоха представляет собой особый этап в эволюции нашей планеты, в ходе которого образуются различные типы месторождений. Каждое месторождение является результатом сложного взаимодействия физико-химических процессов. Эти процессы могут происходить как быстро, в геологическом масштабе времени (до 5 миллионов лет), так и медленно, через несколько этапов развития (100, 200 и даже 300 миллионов лет). Согласно законам химии, любой процесс может протекать с выделением энергии или с её поглощением. В геологии процессы с выделением энергии встречаются гораздо реже, поэтому большинство геологических процессов направлено на поглощение энергии и стремится к увеличению энтропии. Но откуда берется энергия на планете Земля? Мы знаем только два основных источника энергии: ядро Земли, где тепло выделяется в результате ядерного распада (что подтверждено нейтринными обсерваториями), и Солнце, которое снабжает Землю своим теплом. Все геологические процессы можно разделить на эндогенные (происходящие с использованием энергии ядра) и экзогенные (происходящие под воздействием солнечной энергии).
Эндогенные процессы . Среди планет Солнечной системы Земля — единственная, на которой сохраняется активная тектоника плит. Это возможно благодаря горячему ядру, расположенном в центре планеты. Ядро окружено мантией, а та в свою очередь покрыта корой. Ядро Земли служит источником тепла, которое передается в мантию. Мантия функционирует как гигантский теплоноситель. Температуры в мантии достаточно высоки, чтобы расплавить любую горную породу, но из-за огромного давления мантия остается в основном твёрдой. Тепловой поток, исходящий от ядра, поднимается через мантию в кору, где происходит его охлаждение, а затем охлажденные вещества снова опускаются. Таким образом, в мантии образуются конвекционные ячейки, которые обеспечивают постоянный теплоперенос. На уровне коры, где восходящий тепловой поток достигает её поверхности, происходят процессы плавления коровых веществ и прорывы мантии на поверхность.
Рассмотрим пример срединно‑океанического хребта Атлантического океана. Здесь кора наиболее тонкая и подвергается воздействию направленного теплового потока, что приводит к её разрыву. Когда это происходит, давление под корой резко снижается, и верхняя часть мантии мгновенно расплавляется. Под действием давления расплавленное вещество из мантии выталкивается на поверхность и быстро кристаллизуется, охлаждаясь при взаимодействии с океанической водой. Постоянные проникновения мантийного вещества в кору приводят к её расклиниванию, и кора начинает раздвигаться в обе стороны от срединно‑океанических хребтов. Однако, несмотря на это, объём Земли не увеличивается, значит, где-то кора должна поглощаться. Введём новое понятие: океаническая кора — молодая, тонкая и имеет относительно простое строение. Она состоит из нижней части, состоящей из застывшего мантийного вещества, и верхней части, которая формируется из осадков, перенесённых с континентов. Самая старая океаническая кора была обнаружена в Тихом океане, в котловине Пегафета, и её возраст составляет 156 миллионов лет. Континентальная кора, наоборот, старинная, толстая и имеет сложную многослойную структуру. Её возраст может достигать 2,5 миллиарда лет. Между океанической и континентальной корой существуют явные различия, обусловленные их различным происхождением и механическими свойствами. При столкновении океаническая кора, обладая большей плотностью, опускается под континентальную, поглощая её в мантию. Этот процесс называется субдукцией. Поглощённая океаническая кора подвергается воздействию высоких температур, плавится и постепенно выбрасывается на поверхность в виде лавы. Это основной механизм движения тектонических плит.
При расширении океанов континенты начинают двигаться. Современная тектоника плит существует уже последние 550 миллионов лет. В процессе этого существуют стабильные зоны раздвижения, чья энергия постепенно иссякает, и такие зоны могут перемещаться. Там, где недавно происходило раскрытие океана, будет происходить его закрытие. Таким образом, можно выделить циклы расхождения и схождения континентов, и по некоторым данным, существовало до шести Пангей — единых континентов, охватывающих почти всю сушу. Но что происходит с континентами при их столкновении? Обычно они не погружаются друг под друга, а остаются на одном уровне. Когда пространство для горизонтальных движений исчерпывается, начинается вертикальное перемещение. В результате столкновения двух континентов, они начинают давить друг на друга, образуя горы. Это вдавливание сопровождается повышением температуры и давления, что ведет к метаморфизму горных пород. Процесс преобразования первичных пород, таких как глина, в более твёрдые минералы, например, сланцы и гнейсы, а также превращение известняков в мрамор, называется метаморфизмом.
Урал и Кавказ представляют собой яркие примеры шовных зон, возникших в результате столкновения континентов. Уральская горная система сформировалась в ходе столкновения палеоконтинентов Лавруссии (территория, соответствующая современной Европе) и исчезнувшего континента, фрагменты которого можно найти в западной Сибири. Это столкновение стало финальной стадией закрытия древнего Палеоазиатского океана. Кавказ возник позже, его формирование связано с закрытием океана Тетис, и если говорить об этом в упрощённой форме, то причиной стала встреча Африки с Евразией.
Конечно, сравнительный образ континентов с пластилином является лишь условностью. Процесс деформации земной коры гораздо сложнее. Несмотря на высокие температуры, при которых горные породы могут деформироваться, существует предел их пластичности. Когда этот предел превышен, возникает ломка, сопровождающаяся образованием трещин и разломов, что может приводить к землетрясениям. Земная кора «разбивается» на блоки, которые могут двигаться вертикально и горизонтально, а иногда даже вращаться вокруг своей оси. Разломы могут достигать значительных глубин, где вещества находятся в расплавленном состоянии, и через такие разломы магма может выходить на поверхность в виде лавы. Вулканическая активность — важный элемент растущих гор. Однако, важно отметить, что все горные породы, находящиеся на поверхности Земли, подвергаются воздействию внешних факторов.
Экзогенные процессы. Солнце является источником тепла для поверхности планеты, но из-за множества факторов его распределение по поверхности Земли неравномерно. Это приводит к колебаниям температуры и другим климатическим условиям, среди которых особое значение имеет режим осадков. Количество свободной воды играет важнейшую роль как в механическом, так и в химическом воздействии на горные породы. Механическое воздействие проявляется через водные потоки, ветер и перепады температур. Вода, содержащая взвешенные твердые частицы, действует как абразив, «стирать» горные породы. Из-за циклических изменений температуры горные породы расширяются и сжимаются, что способствует их растрескиванию. Разрушенные породы перемещаются с верхних точек гор в океаны под воздействием воды, ветра и гравитации. Химическое воздействие связано с взаимодействием горных пород с атмосферой, водой и живыми организмами. Под воздействием воздуха многие минералы окисляются, что изменяет их структуру, а вода растворяет и выщелачивает химические элементы из минералов, что также приводит либо к разрушению, либо к перекристаллизации. Вода является важнейшим химическим агентом, переносящим вещества, включая растворённые химические элементы, которые в дальнейшем оседают на специфических барьерах, где могут накапливаться в концентрациях, значительно превышающих фоновую норму. Живые организмы, потребляя химические элементы из земли, затем возвращают их в другую форму. Более того, в процессе своей жизнедеятельности организмы могут изменять pH среды, что также способствует химическому разложению горных пород. Когда живые организмы погибают, это может стать причиной формирования новых горных пород, например, известняк возникает из захороненных в океанах планктонных форм жизни, а уголь образуется из массивов леса, оказавшихся в анаэробных условиях.
В результате комплексного воздействия экзогенных процессов на горные породы материал разрушается и переносится, начиная с гор и заканчивая океанами, а эти процессы протекают непрерывно. После множества циклов разрушения, переноса и отложения первичный материал с гор в конце концов оказывается в океане. При субдукции часть отложенного материала в океане поглощается мантией, а оставшаяся часть продолжает оставаться на поверхности и участвует в формировании новых горных массивов.
Таким образом, мы рассмотрели упрощённый жизненный цикл Земли, который может длиться от 200 до 350 миллионов лет: от образования нового океана, через расхождение континентов, до их схождения и образования горных систем. В течение всего этого времени на поверхности Земли продолжают действовать экзогенные процессы.
Для понимания того, как связаны формирование месторождений с общей геологической эволюцией Земли, следует отметить, что:
-
Магматическая активность на Земле наблюдается в таких местах, как разрывы коры, зоны субдукции и в процессе горообразования, сопровождающемся деформацией горных массивов. В каждом из этих случаев состав лавы и её начальная температура различаются. Магматизм является важным механизмом дифференциации вещества и одним из путей проникновения материала из мантии на поверхность. Также магматическая активность служит источником тепла, который влияет на вмещающие породы, способствуя их изменению.
-
При столкновении континентов, под воздействием высоких температур и давлений, происходит перераспределение и переработка материалов, что приводит к внутренней перестройке этих континентов.
-
Поверхность Земли претерпевает постоянные изменения. Породы разрушаются, а материал переносится. Протекают процессы растворения, окисления и выщелачивания. Первичные минералы перекристаллизовываются в новые формы.
В каждом из описанных процессов действуют различные температуры, давления и pH, а тип воздействия может варьироваться от химического до механического. Из-за этого химические элементы могут переноситься с различной интенсивностью и различными агентами, и откладываться в разных условиях. Месторождения полезных ископаемых формируются на разных этапах эволюции Земли, в разных масштабах. Магматические процессы, связанные с прорывом коры, приводят к образованию месторождений титана, меди, никеля, хрома, кобальта, ванадия, золота и платиноидов. Процессы магматизма в зонах субдукции способствуют образованию месторождений золота, серебра, цинка, свинца, ртути, олова и меди. Когда магма взаимодействует с породами в результате коллизии, могут образовываться месторождения молибдена, вольфрама, золота, меди и редкоземельных элементов. Метаморфические процессы связаны с образованием месторождений железа. Под воздействием экзогенных процессов могут происходить как увеличение концентрации полезных компонентов в уже существующих месторождениях магматического или метаморфического типа, так и формирование новых месторождений марганца, лития, железа, редкоземельных элементов, а также россыпных месторождений золота, титана и хрома. Последние образуются в результате механического разрушения горных пород и выноса нерастворимых минералов или самородных элементов.