Петрография

Петрография (от греч. pétros - камень и ...графия), наука о горных породах, их минералогических и химических составах, структурах и текстурах, условиях залегания, закономерностях распространения, происхождения и изменения в земной коре и на поверхности Земли. Существует тенденция разделения общей науки о горных породах на две части - П., преимущественно описательного характера, и петрологию, в которой даётся анализ генетических соотношений. Однако часто эти термины рассматриваются как синонимы.

Предмет и методы петрографии. П.- наука геологического цикла; она тесно связана с минералогией, геохимией, вулканологией, тектоникой, стратиграфией и учением о полезных ископаемых.

По типам изучаемых горных пород различают П. магматических, П. метаморфических и П. осадочных горных пород, или литологию.

П. магматических горных пород исследует кристаллические горные породы, образовавшиеся в основном в результате застывания и кристаллизации магмы. Процессы расщепления (дифференциации) магмы в ходе её застывания в земной коре и растворения в магме вмещающих пород (ассимиляции, контаминации) вели к возникновению различных по составу типов изверженных горных пород и связанных с ними полезных ископаемых. Исследование магматических пород проводится с целью определения их вещественного состава, выяснения физико-химических условий застывания магмы, их взаимоотношения с окружающими породами и пр.
П. метаморфических горных пород занимается исследованием горных пород, изменивших (без разрушения и расплавления) первоначальный минеральный и химический состав под влиянием новых физико-химических условий (см. также Метаморфизм горных пород). По характеру изменения различают породы разных метаморфических фаций, минеральный состав которых определяется в основном давлением и температурой окружающей среды (см. Фации метаморфизма).
Кроме того, существуют горные породы, занимающие промежуточное положение. Так, некоторые метаморфические породы в процессе своего образования подвергаются частичному расплавлению (см. Палингенезис); и наоборот, в формировании некоторых магматических пород значительную роль играют процессы метаморфизма. Существуют породы, переходные между осадочными и магматическими (вулканогенно-осадочные породы, пирокластические породы и др.), которые сложены магматическим материалом, но способ их образования и условия залегания характерны для осадочных горных пород.
Для изучения состава и строения горных пород применяются специальные методы исследования. К ним относятся в первую очередь кристаллооптические методы, позволяющие изучать тонкозернистые минеральные агрегаты. При этом используются поляризационный микроскоп и другие приборы. Широко применяются рентгеноскопический метод и спектральный анализ, которые дают возможность определить элементы-примеси, присутствующие в породах в ничтожных количествах. Химический состав минералов определяется при помощи микроанализаторов непосредственно в горных породах без предварительного выделения минералов. Вещество горных пород исследуется также путём химического анализа. Физические исследования горных пород и составляющих их минералов применяют для определения ряда физических констант (плотность, твёрдость, тепловое расширение, сжимаемость, скорости сейсмических волн, вязкость, электрические и магнитные свойства и т.д.). С середины 20 в. в П. всё шире используются математические методы на основе применения ЭВМ. В первую очередь привлекаются методы математической статистики для оценки достоверности совокупностей химических или спектральных анализов, построения рациональных классификаций горных пород, определения поисковых признаков на разные виды полезных ископаемых, пересчётов химических анализов. Таким образом, изучение горных пород включает в себя сложный комплекс разнообразных исследований, начало которых относится к полевым наблюдениям (при геологосъёмочных работах, в кернах или в горных выработках). Обобщение геолого-петрографических материалов в региональном плане позволяет подойти к выявлению роли различных типов горных пород в процессах формирования и развития земной коры (формационный анализ).
По характеру изучаемых свойств и применяемым методам выделяют следующие разделы П.: петрохимия, петрофизика, петротектоника, физико-химическая и экспериментальная П., техническая П., космическая П.
Выяснение всего комплекса химических взаимоотношений в отдельных породах и в их естественных сочетаниях составляет содержание раздела П.- петрохимии.
Развитие инженерно-геологических и геофизических исследований активизировало изучение физических свойств горных пород и привело к появлению новой ветви в П.- петрофизики, устанавливающей связь физических свойств горных пород с их составом, структурой и историей формирования.
Петротектоника (структурная петрология) - раздел П., изучающий связи между геометрическими закономерностями микроструктур горных пород и движениями или деформациями в них с целью выяснения действующих сил и напряжений. В её основе лежит микроструктурный (петроструктурный) анализ, направленный на установление господствующей пространственной ориентировки плоскостных и линейных компонентов структуры горной породы.
Физико-химическая П. на основе общих законов термодинамики выявляет связи между химическим и минеральным составами горных пород, с одной стороны, и общими условиями их формирования - с другой.
Экспериментальная П. занимается моделированием природных процессов образования горных пород (составляющих их минералов и минеральных ассоциаций).
Особое направление в развитии П. составляет техническая П., начало которой было положено трудами советского геолога Д. С. Белянкина. Техническая П. выявляет с помощью петрографических методов минеральный состав технических продуктов (шлаков, фарфора, цемента, стекла, керамики, каменного литья), тем самым оказывает большую помощь силикатному и металлургическому производству. В свою очередь, используя опыт техники в части образования каменных продуктов, техническая П. помогает расшифровывать многие процессы породообразования.
Космическая П., оформившаяся в 1970-е гг., изучает метеориты, горные породы Луны и др. планет.
Исторический очерк. До середины 19 в. проблемы П. решались частично минералогией и общей геологией; в это время были заложены её основы. В частности, было проведено разделение всех горных пород по их генезису на осадочные, магматические и метаморфические. Зарождение П. как науки относится к середине 19 в., когда Г. К. Сорби показал возможность изучения минерального состава горных пород в шлифах под микроскопом. Далее в практику исследовательских работ по П. был введён поляризационный микроскоп, а затем усовершенствованы методы кристаллооптических исследований (немецкие петрографы К. Г. Розенбуш и Ф. Циркель, французские - Ф. Фуке, О. Мишель-Леей, советский - А. П. Карпинский, американский - Э. Ларсен), разработан теодолитный метод изучения оптической констант минералов в шлифах при помощи универсального столика (Е. С. Федоров). Были предложены способы определения состава минералов по их кристаллооптическим свойствам, лежащие сейчас в основе изучения вещества горных пород (Е. С. Федоров, В. В. Никитин, американский учёный А. Уинчелл). Теодолитный (федоровский) метод породил микроструктурный анализ (немецкие учёные Б. Зандер, Г. Беккер, В. Шмидт, советский - Н. А. Елисеев).
Параллельно усовершенствовались методы химических исследований горных пород, что в совокупности с появлением богатого описательного петрографического материала привело к созданию в 1920-30-е гг. количественно-минералогического (П. Ниггли, Б. М. Куплетский и др.) и химического (Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, А. Н. Заварицкий, К. Г. Розенбуш, П. Ниггли) классификаций магматических горных пород, основанных на различных способах пересчёта химических анализов горных пород.
В конце 19- начале 20 вв. основное внимание П. было привлечено к изучению проблемы генезиса и причин разнообразия магматических пород. Были высказаны предположения о существовании процессов разделения первичной магмы на частные магмы (дифференциация магмы) и процессов усвоения магмой вмещающих пород (ассимиляция, контаминация). В конце 19 в. Ф. Ю. Левинсон-Лессинг показал, что родоначальным источником для образования магматических пород, развитых на поверхности Земли, служат две принципиально различные магмы - кислая и основная. В 1920-х гг. эта идея была поддержана Р. Дейли. В начале 30-х гг. Н. Л. Боуэн выступил с получившей большую популярность гипотезой существования в недрах Земли одной базальтовой магмы, за счёт которой в процессе т. н. кристаллизационной дифференциации (отделение от остаточной магмы в результате всплывания или погружения в ней выделившихся кристаллов) могли образоваться почти все магматические горные породы. Впоследствии в природе были обнаружены реальные случаи кристаллизационной дифференциации (А. А. Полканов, английские учёные Л. Уэйджер и Г. Браун).
Большое внимание петрографов было привлечено к гранитам, залегающим в глубокометаморфизованных гнейсовых и мигматитовых толщах. Ещё в начале 20 в. Я. И. Седергольм выяснил, что эти породы обладают рядом особенностей, которые трудно объяснимы, если предположить внедрение гранитной магмы, и указал, что такие граниты не являются магматическими, а образовались в результате метасоматической гранитизации или ультраметаморфизма под действием глубинных эманаций. В 40-50-е гг. эти предположения пользовались особой популярностью (П. Эскола, Х. Г. Баклунд, Ю. А. Кузнецов, Н. Г. Судовиков).
В работах Д. С. Коржинского (начиная с 1936) были созданы основы физико-химического анализа парагенезисов минералов. Компоненты, составляющие горные породы, были разделены на группы в соответствии с ролью, которую они играют в процессах минералообразования. Введены понятия о дифференциальной подвижности компонентов и системах с вполне подвижными компонентами, условия химического равновесия в которых определяются особыми термодинамическими потенциалами (потенциалы аллохимических равновесий). Это значительно расширило область приложения анализа парагенезисов минералов к природным процессам (см. Минералогическое правило фаз). Д. С. Коржинский показал, что магматизм в земной коре развивается в тесном взаимодействии с флюидами (трансмагматическими растворами), обосновал большую роль процессов магматического замещения в становлении изверженных пород в глубинных условиях и разработал теорию метасоматической зональности. На основе анализа парагенезисов минералов в 60-70-е гг. разработаны системы минеральных фаций магматических, метаморфических и метасоматических горных пород (советские геологи В. А. Жариков, А. А. Маракушев).
Большое значение для выяснения происхождения различных магматических и метаморфических пород имели экспериментальные исследования в П. (Ф. Ю. Левинсон-Лессинг и А. С. Гинзберг, начало 20 в., американские учёные Н. Л. Боуэн, О. Татл, Р. Горансон, 20-30-е гг.). Эти исследования получили особенно большой размах в 50-60-е гг. (советские учёные И. А. Островский, Н. И. Хитаров, В. С. Соболев, Г. Л. Поспелов, американские - Д. Гамильтон, Х. Йодер, С. Тилли, австралийские - Д. Грин, А. Рингвуд и др.).
Особенно важным было изучение процессов плавления горных пород под давлением паров летучих компонентов H₂O, CO₂, H₂ и др., в результате которого было установлено, что в присутствии воды температура плавления силикатов резко понижается, и поэтому в природных условиях гранитный расплав может быть получен при наличии воды и относительно низких температурах из разнообразных по составу первичных пород.
Современное состояние и задачи петрографии. В 60-70-е гг. на основании новых петрологических, экспериментальных и геофизических исследований вновь стала обсуждаться возможность образования гранитов в результате выплавления из глубинных оболочек Земли (советские учёные Д. С. Штейнберг, П. Н. Кропоткин и др.). Многие исследователи признают существование в природе двух типов гранитов. Первый из них образовался из палингенной гранитной магмы, относительно низкотемпературной, возникшей при частичном плавлении пород земной коры в условиях их насыщения водой (см. Палингенезис). При её кристаллизации на месте образуются неперемещённые, т. н. автохтонные, или слабо перемещенные граниты. Второй тип гранитов возникает из кислых расплавов, которые образуются в процессе преобразований (дифференциации, контаминации сиалическим материалом и т.д.) базальтовой магмы, происходящей из верхней мантии или нижних частей земной коры. Такие кислые расплавы, обладающие высокой температурой, способны достигать земной поверхности, формируя не только интрузивные граниты, но и их эффузивные аналоги.
Большое внимание в П. привлекает проблема магматических формаций, в которые объединяются группы генетически и структурно связанных между собой магматических горных пород, образующих устойчивые ассоциации (Г. Д. Афанасьев, Ю. А. Кузнецов), показано существование вулкано-плутонических формаций (советский петрограф Е. К. Устиев). Разрабатывается также проблема связи магматизма и тектоники, которую впервые поставил Х. Штилле. Исключительное внимание уделяется изучению магматизма океанов, особенно срединно-океанических хребтов, возникновение которых связывается с глубинными процессами формирования магм (Д. Грин и А. Рингвуд). Высказываются предположения, что офиолитовые серии геосинклинальных областей образовались в океанических областях геологического прошлого (см. Офиолиты).
Исследования в области П. в СССР ведутся институтами АН СССР, управлениями и ведомствами министерств геологии СССР и союзных республик, учебными институтами. В 1952 при Отделении геолого-географических наук АН СССР был создан Межведомственный петрографический комитет для решения вопросов генезиса и номенклатуры горных пород. Проблемы П. обсуждаются на периодически (через 4-5 лет) созываемых Всесоюзных петрографических совещаниях (начиная с 1953), а также на региональных петрографических совещаниях. Кроме того, важнейшим проблемам П. посвящаются тематические сессии геологического конгресса Международного. Работы по П. публикуются в ряде периодических изданий: в СССР - в геологических сериях "Докладов" и "Известий" АН СССР, в "Записках Всесоюзного минералогического общества", в журнале "Советская геология" и др.; за рубежом проблемам П. посвящен специально издаваемый журнал "Journal of Petrology" (Oxf., с 1960).
Лит.: Боуэн Н. Л., Эволюция изверженных пород, пер. с англ., М.- Л.- Новосиб., 1934; Розенбуш Г., Описательная петрография, пер. с нем., М.- Грозный - Новосиб., 1934; Левинсон-Лессинг Ф. Ю., Избр. труды, т. 4- Петрография, М., 1955; Елисеев Н. А., Метаморфизм, М., 1963; Кузнецов Ю. А., Главные типы магматических формаций, М., 1964; 3аварицкий А. Н., Введение в петрохимию изверженных горных пород, 2 изд., М.- Л., 1950; его же, Изверженные горные породы, М., 1961; Лукин Л. И., Чернышев В. Ф., Кушнарев И. П., Микроструктурный анализ, М., 1965; Петрология верхней мантии, пер. с англ., М., 1968; Винклер Г., Генезис метаморфических пород, пер. с нем., М., 1969; Уэиджер Л., Браун Г., Расслоенные изверженные породы, пер. с англ., М., 1970; Соловьев С. П., Химизм магматических горных пород и некоторые вопросы петрохимии, Л., 1970; Петров В. П., Магма и генезис магматических горных пород, М., 1972; Коржинский Д. С., Теоретические основы анализа парагенезисов минералов, М., 1973; Перчук Л. Л., Термодинамический режим глубинного петрогенеза, М., 1973; Sander В., Einführung in die Gefügekunde der geologischen Körper, Tl 1-2, W.- Innsbruck, 1948-50.