Вот вроде бы живем мы с вами в XXI веке, у нас есть множество технологий, приборов и инструментов для того, чтобы проводить точные исследования чего угодно, включая, разумеется, и камни, которые являются важным сырьем для промышленности, но…

Но на практике оказывается, что все это, конечно, есть, но дорого, сложно, далеко, а Россия велика, и получается, что предмет нашей статьи — это «средняя температура по больнице», а исследований по месторождениям, проведенным с применением современного оборудования, не делалось до сих пор (или делалось в недостаточном объеме, или старыми методами).

Конечно, далеко не всегда это необходимо. Порой усредненной химической формулы базальта будет достаточно, равно как и приблизительного минерального состава базальта. Но надо же понимать, что все это существенно варьируется от месторождения к месторождению, и даже внутри месторождения неизбежны определенные колебания состава.

Химический состав или химическая формула базальта

Существует так называемый «усредненный химический состав» базальта — та самая «средняя температура по больнице». Точнее, диапазон. Тем не менее, ее рассчитывают, чтобы был некий шаблон или эталон базальта, на который можно ориентироваться или ссылаться.

Чем «состав» отличается от «химической формулы базальта»? Ну, химические формулы, во-первых, относятся к минералам, а не к горным породам, а во-вторых, сами химические формулы бывают двух видов: эмпирические и структурные.

Базальт колотый. Фото Теплоконтакт

Немного пояснений. Почему формулы применимы к минералам, а процентное содержание химсоединений — к горным породам? Потому что минерал обладает не только кристаллической решеткой, но достаточной однородностью состава, чего не скажешь о горной породе, в которой различные минералы соседствуют друг с другом… как изюм в тесте (если структура порфировая), как изюм и др. сухофрукты с орехами разных видов (если структура полнокристаллическая), ну и плюс то же самое, но различимое только под микроскопом.

Что касается формул эмпирических и структурных, то первые только указывают соотношение между присутствующими в минерале атомами разных элементов, тогда как структурная формула хоть как-то показывает соединение этих атомов между собой.

Пример: эмпирическая формула ортоклаза — K2Al2Si6O16, структурная — K2О Al2О3 6SiO2. Замечаете разницу? Количество атомов не изменилось, но во втором случае мы видим, как они структурно соединяются между собой.

Итак, химические формулы минералов вы найдете ниже, когда мы начнем говорить о минералогическом составе базальта, а пока вот таблица, в которой даны средние цифры процентного содержания тех или иных химсоединений в его составе:

Оксид Содержание, %
SiO2 47—52
Al2O3 14—18
CaO 6—12
FeO 6—10
MgO 5—7
Fe2O3 2—5
Na2O 1,5—3
TiO2 1—2,5
K2O 0,1—1,5
P2O5 0,2—0,5
MnO 0,1—0,2

Таблица из Петрографического кодекса России (взята в Википедии)

Из таблицы понятно, что стандартный базальт не выходит за рамки указанных процентов, но в природе нет дискретности — всегда найдутся породы переходные между разными классами — по кислотности, по щелочности, по степени метаморфизма… Будет ли это все еще базальт или уже нет?

Из каких минералов состоит

Между химическим составом и составом минералов базальта имеется прямая связь. Однако химические соединения вовсе не представлены отдельными минералами, и распределение их предсказуемо всегда с определенной погрешностью. В современной науке давно есть методы пересчета химического состава на минералы, которые могли бы состоять из обнаруженных элементов. Это облегчает задачу исследования, но не отменяет и не заменяет другие методы, которые позволяют опознать минералы визуально и по характерным для них реакциям.

Состав минеральный: общий

То, из каких минералов состоит базальт, зависит от двух условий: от состава магмы и от условий ее застывания.

Так как в целом варьироваться может все, то ниже мы представим минералы, которые встречаются в габбро-базальтовых месторождениях, хотя прекрасно понимаем, что для образования некоторых из них нужны специфические условия, но следует понимать, что базальтовое месторождение вполне может включать в себя и долериты, не говоря уже о метаморфизированных участках.

Напомним, что ряд габбро-долерит-базальт — это магма, которая застывала на разной глубине, что влияло на сформированность и величину кристаллов.

Вот перечень минералов, которые можно встретить в базальте и его глубинных аналогах:

Полевые шпаты

Делятся на два изоморфных ряда — плагиоклазы и щелочные полевые шпаты. В базальтах встречаются те и другие, с преобладанием первых. Количество может разниться на разных месторождениях.

Плагиоклазы содержат Ca и Na, атомы которых могут замещать друг друга в кристаллических решетках, при высоких температурах образуя твердые растворы Na[AlSi3O8]—Ca[Al2Si2O8] неограниченной смесимости, но в итоге разных процентных соотношений того и другого, расположенные между крайними членами ряда альбит-анортит. В плагиоклазах количество ортоклаза не может превышать 10%.

Щелочные полевые шпаты — это аналогичные высокотемпературные твердые растворы К[АlSi3O8] — Na[АlSi3O8] меньшей смесимости, расположенные между крайними членами ряда ортоклаз-альбит. Щелочные полевые шпаты не могут содержать анортита больше 10%.

Правило 10% не распространяется на чистый альбит и близкие к нему растворы, потому что в натриевом полевом шпате может растворяться больше анортита и ортоклаза.

Количество полевых шпатов в базальте для двух этих изоморфных рядов не бывает одинаковым, в нем все-таки существенно больше плагиоклазов, а щелочные полевые шпаты, если вообще присутствуют, то в малых количествах.

О составе плагиоклаза в базальтах читайте чуть ниже в этой статье.

Пироксены

Следующая существенная составляющая базальта — это пироксены. Они представляют собой метасиликаты или соли кремниевой кислоты. Основное деление — на ортопироксены и клинопироксены. Различие между ними в строении кристаллической решетки.

Камни базальта. Фото Камелот178

Все многообразие пироксенов в базальте для той и другой группы сводится к кальциевым магнезиально-железистым клинопироксенам группы авгита, натриево-кальциевым клинопироксенам группы эгирина, а также магнезиально-железистым ортопироксенам изоморфного ряда энстатит-ферросилит.

Подробности о минералах каждой из перечисленных групп — чуть ниже.

Амфиболы

Амфиболы характерны для кислых и метафорфических магматических горных пород. Они не являются типоморфными для базальтов, но могут присутствовать в них как второстепенные минералы. Например, это базальтическая роговая обманка.

Слюды

Представлены магниево-железистой группой биотита K(Mg,Fе)3[AlSi3O10](OH,F,Cl)2. В базальте присутствуют в небольшом количестве.

Оливины

Также представляют собой группу минералов изоморфного ряда с общей формулой Me2SiO4, где Ме — это либо магний, либо марганец, либо железо.

Оливином же часто называют твердые растворы между форстеритом Mg2SiO4фаялитом Fe2SiO4. Помимо этого можно встретить тефроит Mn2SiO4 и члены его ряда с фаялитом, а также монтечеллит CaMgSiO4 (эта формула пытается показать, что половина атомов магния замещена в форстерите атомами кальция).

Минералы кремнезема

Несмотря на то, что базальт относится к основным горным породам, что подразумевает низкое содержание кремнезема, бывает, что и в нем встречается кварц (чистый кремнезем), а также кристобалит и тридимит. Тем не менее, они не являются основными и не содержатся в существенных количествах.

Фельдшпатоиды

Когда магма бедна кремнеземом, его может просто не хватить на формирование из расплава полевых шпатов. В этом случае образуются алюмосиликаты сходного химического состава, но с меньшим количеством кремнезема и избыточным количеством щелочей.

Базальт. Дикий камень

В базальтах и аналогах встречаются следующие минералы: нефелин, кальсилит и лейцит.

Шпинели

Шпинели в базальте и его аналогах могут быть представлены хромитом (хромшпинели: магнохромит, хромпикотит, алюмохромит) и ульвёшпинелью.

Акцессорные минералы

Когда количество входящего в состав горной породы минерала столь мало, что не превышает 1%, такой минерал получает название акцессорного. Несмотря на это мы перечислим некоторые характерные для базальта и аналогов минералы такого рода: титанит (сфен), ильменит, гейкилит, пирофанит, перовскит.

Рудные минералы

Из рудных минералов, которые могут входить в состав базальта, назовем магнетит и гематит.

Прочие минералы и примеси металлов

Прочие минералы: брусит, брукит, псевдобрукит, плеонаст, гранаты.

Примеси металлов обычно присутствуют в связанном виде и в очень малых количествах. Это марганец, хром и ванадий.

Таблица содержания различных минералов в базальтах и их аналогах на некоторых крупных месторождениях России

 

№ п/п

 

Минералы

Месторождения
 

Булатовское

 

Марусинское

 

Тогучинское

 

Учалиннское

Первоуральское  

Гора Змеевая

 

Диабазовое

 

Дорожное

 

Симакинское

 

Песчанское

 

Соколовское

Объемная доля в процентах
1 плагиоклаз 34.5 45.0 46.0 42.0 65.0 62.0 47.0 39.0 59.0 36.0
2 щелочной полевой шпат 6.0
3 клинопироксен 13.0 33.0 36.0 34.0 9.0 16.0 18.0 28.0 45.0 4.0 2.0
4 ортопироксен 11.5 6.0 5.0 8.0 4.0
5 амфиболы 79.5 1.5 46.0
6 биотит 19.5 1.0
7 оливин 34.0 2.0 3.0 5.0 5.0 3.0
8 кварц 9.0 5.0 9.0 5.0 2.0 9.0
9 магнетит 5.5 7.0 7.0 6.0 11.0 6.0 7.0 10.0 8.0 4.0
10 ильменит 1.5 4.0 3.0 4.0 0.5 2.0 5.0 2.0 2.0
11 титанит 1.0 3.0
12 эпидот 8.0

Таблица взята отсюда.

Базальт: минералогический состав плагиоклазов и пироксенов

Выше мы обещали рассмотреть подробнее минералы, составляющие изоморфные ряды плагиоклазов и пироксенов.

Состав плагиоклаза в базальтах

Что не было сказано ранее? Не было прояснено, что при понижении температуры твердые растворы теряют гомогенность и образуют несколько структурных разновидностей с разным процентным содержанием альбита и анортита. Эти структурные разновидности представляют собой сросшиеся друг с другом пластинки с разными соотношениями атомов Na и Ca.

Базальт колотый. Фото Теплоконтакт

Сросшиеся пластинки, образованные при разрывах смешиваемости, являются причиной иридизации, которая знакома многим по синим всполохам в черном камне лабрадорите. Однако в базальте иридизация становится возможной только при наличии крупных фенокристаллов, а для их формирования нужно медленное остывание магмы. Кстати, плагиоклаз в базальте практически не образует фенокристаллов. К этому больше склонные пироксен с оливином.

Базальт же тем и характерен, что кристаллы у него, даже мелкие, могут и не образовываться вовсе, в этом случае магма застывает в виде стекла — аморфной массы без упорядоченной кристаллической решетки. Либо же они образуются, их называют «микролитами», и размер их составляет сотые доли миллиметра. Разумеется, в этом случае не приходится говорить об иридизации.

Впрочем, есть еще одно обстоятельство, которое не позволило бы базальту сильно иридизировать. В его химическом составе довольно много оксида кальция, а оксиды натрия и калия представлены в гораздо меньших количествах. Это говорит о том, что преобладающим в составе плагиоклаза будет анортит и близкие к нему кальциевые плагиоклазы (битовнит, например).

В миндалинах мандельштайнов можно встретить порой лунный камень — это как раз случай иридизации, но все же относящийся не к самому базальту.

Состав пироксена в базальтах

Выше мы говорили о том, что пироксены в базальте представлены группами авгита, эгирина и ряда энстатит-ферросилит.

Группа авгита представлена следующими минералами:

Собственно, самим авгитом(Ca,Mg,Fe2+)(Mg,Fe2+,Al,Fe3+)[(Al,Si)2O6]. При этом вариативность состава, заложенная в формулу, подразумевает количественные колебания и компонентов, и связанных с этим физических свойств, например, плотности.

Помимо авгита в базальте можно встретить диопсид CaMg[Si2O6] и геденбергит CaFe[Si2O6]. Эти два минерала образуют изоморфный ряд.

В группу эгирина входит сам эгирин — NaFe[Si2O6] и жадеит NaAl[Si2O6].

Ромбические пироксены (ортопироксены) представлены изоморфным рядом энстатит-ферросилит.

Они разделяются на минералы по содержанию оксида железа:

Ферросилит, мол.% FeO, мас.%
Энстатит 0-12 <10
Гиперстен 30-50 16-30
Ферросилит 88-100 >47

Таблица взята отсюда.

Помимо перечисленных в базальтах и их аналогах можно встретить пироксеноид — волластонит Ca3[Si3O9].

Это минерал или горная порода

Конечно, после всего перечисленного выше странно отвечать на вопрос, является ли базальт минералом или горной породой. Но, если уж такой вопрос возникает у наших читателей, то ответ нужно давать прямой, не требующий самостоятельных умственных усилий: базальт — это однозначно горная порода, состоящая из множества минералов.

Группа базальта: магматическая горная порода

Да, базальт — это магматическая горная порода. Просто надо уточнять, что она изверженная или излившаяся, или эффузивная — все три термина являются синонимами.

Базальт андезитовый. Фото Дикий камень

Кроме того, в случаях, когда базальт подвергся метаморфозу и в нем частично заменились минералы, он будет называться метаморфизированным, но по происхождению оставаться магматической породой.

Некоторые магматические горные породы, будучи застывшей глубинной магмой (изверженная магма — это лава), имеют состав тот же, что вещество Земли на глубине, недоступной современной науке.

Ученые предполагают, что нижним слоем земной коры (более-менее твердой корочки на чем-то вроде жидкости, находящейся под действием высокой температуры и огромного давления) является так называемый «базальтовый слой», и состав его близок к составу лежащей под ним мантии, для которой характерна обедненность легкими элементами (они ушли в кору), в том числе — недостаток кремнезема (оксида кремния), из-за чего горные породы, образованные такой магмой, оказываются основными и ультраосновными.

Тем и отличаются от тоже магматических гранитов, характерных для континентальной земной коры, где избыток кремнезема делает их более кислыми. Однако магма, из которой состоят граниты, это не магма с уровня базальтового слоя, а часто результат плавления находящихся выше слоев земной коры.