3. задачи на петрологията задачите на петрологията могат да се формулират по следния начин: а

Задачите на петрологията могат да се формулират по следния начин:

- минерален (микроскоп, рентген, ДТА, електронна микросонда и др.);

- химичен (химичен силикатен анализ, рентгено-флуорисцентен и др. физични методи за анализ);

в) Определяне на структурите и текстурите - с микроскоп, лупа. МЕТОДИ ЗА ИЗУЧАВАНЕ НА СКАЛИТЕ

Основната цел на петрологията е да се разбере геологическата система, в която се е създало скалното тяло. Всяко петроложко изследване започва със събирането на петрографските факти, а после от тях се гради петрогенетичната интерпретация.

• 
  Фактическите данни се получават от наблюдения в полето и в лабораторията. Мащабите на наблюденията могат да бъдат различни и те да обхващат континет, планинска верига, разкритие, образец или препарат. Събирането на такива данни изисква картиране, описание на разкритията, търсене на възрастови и други съотношения, описването на особености на строежа, опробване на свежи неизменени или на силно изменени скали. Лабораторното изследване, в което се описват микроскопските характеристики на скалите , събират химичните анализи, радиоизотопните изследванияи т.н. са описателната страна на петрологията (петрографията). На полето и в разкритията петрологът трябва да използува въображение, интуиция, опит, умения да съпоставя с видяни или познати от литературата обекти, за да може сам и още там да формулира обясненията си.
  
• 
  Интерпретативните модели са необходими, за да се разбере за всяко отделно разкритие какъв е бил притока на вещество и енергия, причините за този приток, източника на веществото, хронологическите последователности на събитията и т.н. Разнообразните работни хипотези се отсяват в процеса на работата и с увеличаването на фактическите данни измежду тях се подбира най-вероятната. Много по-скъпите лабораторни изследвания само допълват полевата работа и дават възможностда се усъвършенстват моделите за процеса.
  

“Ние, които се интересуваме от тези неща, попадаме обикновено в една от следните категории: (1) онези, които събират скалите и ги изследват; (2) онези, които се опитват да ги възпроизвеждат в лабораторията и (3) онези, които се безпокоят за произхода им (и си задават допълнителни въпроси). Всички тези страни - описателната, експерименталната и теоритичната са обединени в науката петрология.”

Само описание като завършек на работата на петролога е стерилно. Експеримент, който отговаря на въпроси, които не са му задавани от петролога е безсмислен, а теория, непроизтичаща от фактите е ненужна. Теорията, в най-добрия случай е връзката между другите две страни на петрологията. Добрата теория следователно може да бъде използувана, за да интерпретира или реинтерпретира резултатите от наблюденията и да могат да се задават по-значими въпроси на експеримента, а правилно насоченият експеримент създава основите на теорията.

Петрологията решава своите задачи в тясна връзка с други науки. От една страна тя се нуждае от специалните знания на геоложките дисциплини минералогия, кристалография, учението за полезните изкопаеми, регионална геология, тектоника, основи на геохимията и т.н. От друга страна, необходима основа дават науките физико-химия (и особено термодинамика), химия, физика, математика.

В последните 20-30 години науките за Земята се развиха необикновено бързо. Представите за вътрешния строеж на Земята и за причините за геоложкото развитие се измениха коренно. Многогодишните геологически и геофизически наблюдения, които се бяха натрупали и продължават да увеличават лавината от най-разнообразна информация за състава и движенията на земната кора вече могат да се обясняват с помощта на единен механизъм - хипотезата за разширяване на морското дъно и тектониката на плочите. Използуването на свръхвисоки налягания и температури в експерименталното изучаване на полетата на устойчивост на скалите и минералите, доведе до нови изводи за скалния състав на дълбините на Земята. Всички тези успехи на съвременната геология са немислими без точното познаване на веществото на Земята, а петрологията като наука за скалите е тази геоложка дисциплина, която създаде много от необходимите предпоставки за бурния разцвет на познанието ни за тези природни процеси. Зародила се още в зората на геологическите изследвания и претърпяла твърде продължително развитие, науката за скалите винаги е била непосредствено свързана с методите на изучаването им.

Äúëãè ãîäèíè ïîëåâèòå ìåòîäè íà îïèñàíèå íà îò÷óïåíîòî ïàð÷å ñêàëà ñà âêëþ÷âàëè ñàìî äàííè çà öâåòà è âúíøíèÿ ìó èçãëåä. Ãåîëîæêèÿò ÷óê, à ïî-êúñíî è ãåîëîæêàòà ëóïà ñà áèëè åäèíñòâåíèòå ïîìîùíè èíñòðóìåíòè íà ãåîëîãà. Òâúðäå ïîâúðõíîñòíîòî è íåòî÷íî îïðåäåëåíèå íà ñêàëèòå ñå å îòðàçèëî è íà ïúðâèòå èì íàèìåíîâàíèÿ. Òàêà íàïðèìåð, åäíà îò íàé-øèðîêî ðàçïðîñòðàíåíèòå íà Çåìÿòà ñêàëè - áàçàëòúò å áèëà îïèñàíà îùå îò Ïëèíèé, êîéòî áóêâàëíî ïðåâåë åãèïåòñêàòà äóìà “òúìåí êàìúê” , èçïîëçóâàíà çà îáîçíà÷àâàíå íà ÷åðíèòå ïÿñú÷íèöè. Çà ïúðâè ïúò èìåòî áàçàëò å óïîòðåáåíî â ëèòåðàòóðàòà îòíîñèòåëíî ïðàâèëíî îò Àãðèêîëà â 1546 ã., îòúæäåñòâèë ÷åðíèòå âóëêàíñêè ñêàëè ñúñ ñòúëáîâèäíî íàïóêâàíå áëèçêî äî ãð. Äðåçäåí ñúñ ñêàëàòà îïèñàíà îò Ïëèíèé. Íî åäâà âúâåæäàíåòî íà ïî-òî÷íèòå ìèêðîñêîïñêè ìåòîäè â ïåòðîëîãèÿòà èçìåíè îïðåäåëåíèåòî íà òàçè ñêàëà, êàòî âêëþ÷è â íåãî çàäúëæèòåëíîòî ïðèñúñòâèå íà ìèíåðàëèòå ïèðîêñåí, ëàáðàäîð è ìàãíåòèò, ÷èéòî ìåæäóçúðíåñòè ïðîñòðàíñòâà ñà çàïúëíåíè ñúñ ñòúêëî èëè õëîðèò. Äíåñ òàêîâà îïðåäåëåíèå çà áàçàëòèòå íå çàäîâîëÿâà âå÷å ïåòðîëîçèòå è íà îñíîâàíèå íà òúíêè ðàçëè÷èÿ â õèìè÷íèÿ è ìèêðîõèìè÷íèÿ èì ñúñòàâ íèå òúðñèì äà ðàçïîçíàåì òîëåèòîâèòå, êàëöèåâî-àëêàëíèòå è àëêàëíèòå áàçàëòè îò ðàçëè÷íèòå ãåîäèíàìè÷íè îáñòàíîâêè.

Безспорно най-широко разпространение в континенталната земна кора има скалата гранит, чието име буквално означава зърнеста скала. При първите описания в литературата от края на 16 век италианецът Чезалпино е използувал този термин за всички видове зърнести скали, независимо от техния състав. По-късно, под гранити са разбирали само тези от зърнестите скали, които са изградени от минералите кварц, фелдшпати и слюди. Следващите уточения засягат характера на фелдшпатите, възможното присъствие и на други минерали, като амфиболи и пироксени, точните количествени отношения между скалообразуващите минерали. Благодарение на въвеждането и на други химически критерии, между които и точно определени изотопни отношения, гранитната терминология в съвременното й разбиране е толкова подробно разделена, че само от наименованието на типа и разновидностите на гранита могат да се предполагат конкретни различия в условията на образуването му.

Важен етап в историческото развитие на науката за скалите е въвеждането на кристалооптичния метод за изучаване на скалите в тънки пластинки, с помощта на поляризационния микроскоп. С пълно основание може да се счита, че петрографията като наука в днешното й звучене е възникнала заедно с въвеждането на микроскопа за тези цели от Розенбуш и Циркел в края на 19 век. Оптическите изследвания днес дават толкова важна информация за скалите и минералите, които ги изграждат, че тя не може да бъде заменена по никакъв друг път. По измененията на оптическите свойства могат не само точно да се определят кристалните фази в една скала, но и да се определя състава на минералите с променлив химизъм, които представляват твърди разтвори. Методът е незаменим при определянето на морфологията и размерите не само на естествено изкристализиралите минерали, но и на продуктите от експерименталните изследвания. Явленията на прекристализация, на вторично разтапяне, на течностна несмесимост на топилките стават много по-разбираеми, ако техните следи, фиксирани в структурни особености, се наблюдават непосредствено под микроскопа. При твърде финозърнести скали структурните особености на скалите могат да се наблюдават и като се използува съвременната специална разновидност на микроскопа - т.н. електронен микроскоп. Този метод дава възможност да се постигат увеличения от порядъка на десетки хиляди пъти и да се фотографират обекти с размери от порядъка на 1 ангстрьом.

Към методите за експресно определяне на минералите се отнася и широко използувания в петрологията в последните години рентгенов анализ. Този метод е прилаган много и при изучаването на продуктите от експерименталните изследвания. Той изисква твърде малко количество изходно вещество (10-30 мгр.), което в хода на анализа не се разрушава и не се замърсява. Методиката на подготовката на образците е сравнително проста, а самите рентгенови апарати са надеждни и сравнително лесни за обслужване. Дифрактометричните по-нови апарати са автоматизирани и в съчетание с компютеризирани програми за анализиране на получените излъчвания дават възможност да се получи много бърза и еднозначна характеристика за минералите и техния вътрешен кристалоструктурен строеж. В петрологията, методът се използува и за изучаване на бързината на кристализация и термодинамичните й условия, които са оставили следи в особеностите на кристалоструктурното подреждане в кристалната решетка на важни скалообразуващи минерали като фелдшпатите, пироксените, желязоокисните минерали и др.

Метод, основан на топлинните ефекти, съпровождащи фазовите преходи и измененията в състава на веществата при реакциите на дегазация е т.н. диференциално-термичен анализ. Същността на метода е в записването на температурите на образеца при неговото нагряване. Диференциално-термичният анализ (ДТА) се използува в изследването на процесите на фазовите преходи като топене, кристализация, преходи в различно структурно състояние, за изучаване на разпада на сложни съединения, за качествено определяне на минералите в смеси и за определяне на летливите им компоненти.

Химическите силикатни анализи са не само необходимо допълнение на гореизброените петроложки методики, но и изключително важно средство за съвременно класифициране и номенклатура на скалите. Те дават необходимата основа за въвеждането на единен и общоразбираем “петрографски език”. Като такъв език трябва да се счита построената на единни принципи химична класификация на магматичните скали. Подобна класификация е разработена и в национални и в международни мащаби и фактически от началото на 80-те години след дългогодишни опити за внедряване на десетки класификационни схеми, вече е почти универсално приета от геолозите. С въвеждането на химичните принципи, всяка скала има вече едно и също име, което означава, че класификацията еднозначно определя и индикаторните съвкупности от скали (серии, редове и т.н.). Освен класическия мокър силикатен анализ, тук се въведоха и много нови и по-производителни методики - рентгено-флуорисцентен анализ, атомна абсорбция, газова хроматография, неутронно-активационен анализ, емисионна спектроскопия и т.н. Всички тези бързи и високочувствителни количествени методики изместиха полуколичествените спектрални методи и поставиха геохимичното направление в науката за скалите на нова основа. От интуитивното долавяне на най-общите геохимични закономерности в скалите, днес се преминава към моделиране на геохимията на скалообразувателния процес, което разкрива неподозирани възможности за геоложки интерпретации, подкрепени с принципно нов тип доказателства.

Трудно може да се направи съвременен генетичен модел без да се използуват и т.н. масс-спектрометрични данни. Такъв анализ не е толкова експресен като гореизброените методи, но по чувствителност и точност, той ги превъзхожда значително. Получените радиоизотопни отношения на елементи като калий, аргон, рубидий, стронций, олово, уран, неодимий, самарий, въглерод, кислород и др. позволяват да се изчисли радиогенната абсолютна възраст на скалите, да се определи дълбочинния източник на образуване на магмите, да се направят изводи за евентуални процеси на смесване и замърсяване на магмите, да съдим за хомогенността или отклоненията в състава на Горната мантия на Земята. Те са основа, на която се строят космогенни хипотези и се проверяват други теоритични построения.

Необичайно бързото развитие на петрологията в наше време, безусловно се свързва и с въвеждането на един действително революционен петроложки метод - методът на рентгеноспектралното микросондово (точково) определяне на състава на скалообразуващите минерали и на вулканското стъкло. Благодарение на този метод детайлността на петроложките изследвания в последните 20 години нарастна несъизмеримо. В кристалните зърна на струващите ни се по-рано еднородни скалообразуващи минерали, започнаха да се изявяват закономерни изменения на съставите, които носят важна генетична информация. Нерядко тази новополучена информация встъпва в противоречие с идеите за произхода на скалите от т.н. “домикросондов” период от развитието на петрологията. Например, общоприета доскоро беше общата представа за произхода на магмите чрез частично топене на ултрабазитово вещество на мантията и такъв процес лесно се възпроизвежда от експерименталните изследвания. Тогава ултрабазитовите включения в някои от базалтовите магми би трябвало да са труднотопими остатъци от такъв процес на топене. Микросондовите изследвания на минералите от тези включения, обаче разкриват особена зоналност в съставите им с обогатяване на периферните им зони с относително леснотопими компоненти като натрий, манган, желязо, титан, а не както трябва да се очаква на труднотопимите елементи калций, магнезий, хром. Такива особености се обуславят от нормална кристализация на тези минерали от магма и не потвърждават по-ранните идеи за остатъчна характеристика на тези включения.

Новите методи за изследване на скалите разшириха постепенно и обектите на петрологията. В ранните етапи от развитието си петрологията е изследвала главно скали, разкриващи се на ерозионния срез на Земята (от повърхността, минните изработки и от сондажите). Прехвърлянето на петроложката практика на дъното на океаните и полученият чрез драгиране уникален скален нов материал, създадоха новата геотектонска основа на петрологията. Разпространението на петроложките изследвания и на другите планети от земната група породи възникването на космогенната петрология. В общата система на петрогенезиса се включи и изследването на лунните образци, което изяви значението им на свързващо звено между земните скали и метеоритите. Необикновенно широкия вече обхват на петроложките изследвания се подкрепя от все по-задълбочаващите се нива на изследване на скалното вещество. Безвъзвратно отминали назад във времето са вече онези времена, когато петрологът можеше да мине само с използуването на геоложкия чук и лупата или в най-добрия случай - на микроскопа и традиционните химични анализи на скалите. Нови приложения на съвременните физични методики се срещат непрекъснато в научните списания - йонопробни анализи, вибрационни спектри на комбинирани Раманови разсейвания, инфрачервени спектроскопски анализи, Мьосбауеров анализ и др., които решават вече много от проблемите за състоянието на веществото чак до атомно ниво.

Изучаването на скалите на Земята в ранните етапи от развитието на геоложката наука може да се наподоби на известната притча за слепците, които описали срещата си със слон. Единият от тях опипал хобота му и казал, че слонът е дълъг и топъл. Другият се натъкнал на бивните му зъби и заявил, че слонът е твърд, гладък и остър. Третият, опитвайки се да обхване крака на слона, утвърждавал, че слонът е висок и объл като дърво. Включването на нови осезателни органи - химични анализи, рентгеноструктурни изследвания, рентгеноспектрални микроанализатори и др. подобни методи за все по-фино изучаване на веществото на скалите позволи най-после да се получи и количествена информация за продуктите на породилите ги процеси, а ексериментът помогна качествено и количествено да се доловят скалообразувателните процеси много по-точно. Благодарение на всичко това петрологията се доближи вече до правилното разбиране на природните процеси на създаване на земната кора и до тези, които се извършват в земната мантия. Очевидно е, че създаването на реални физико-химически модели на магматизма, метаморфизма и рудообразуването ще отворят очите на геолозите и за по-достоверно и точно прогнозиране и на полезните изкопаеми на нашата Земя, което е и една от приложните цели на петрожкото познание.

Петроложките резултати са венецът на една дълга последователност от полеви и лабораторни изследвания. Едно образно сравнение за мястото на петрологията в тази последователност би могло да бъде следното:

• 
  полевата работа е азбуката в геологията и по-специално в петроложките изследвания;
  
• 
  кристалографските познания могат да се оприличат на първата радост на първолака, че се е научил да срича;
  
• 
  минералогията, когато е овладяна от петролога е вече придобитата способност да се чете уверено написаното от природата в скалната летопис;
  
• 
  физико-химическата, математическата, химическата подготовка са лупата, която прави видими неясните части от текста;
  

От курса по основи на геологията вече е ясно, че Земята е непрекъснато изменящо се физическо тяло. Планини се създават и разрушават, морета напредват или се отдръпват, процеси на повърхността на Земята или дълбините й променят облика на планетата ни. Един от аспектите на тази безспирна промяна е, че скалите също се променят. Не съществува нито едно парче скала, което да е останало непроменено от времето на образуването си. Най-старите известни скали от земната кора са с половин милиард години по-млади от възрастта на Земята. Много скали са се променили многократно до днешни дни. Скала, образувана в една от горните големи групи, може лесно да се преобразува или в скала от другите две големи групи, или пък да се превърне в съвсем друг скален тип от същата група. Например, една седиментна скала може да бъде погребана дълбоко, да бъде смачкана, нагрявана и да се превърне в метаморфна. Това нагряване може да бъде толкова голямо, че да се предизвика топене и когато такава топилка се охлади и кристализира, резултатът ще бъде образуването на нова, но вече магматична скала. Идеята, че скалите са непрекъснато подложени на промени през времето на тяхното съществуване от първоначалното им образуване до догава, когато сме ги намерили в разкритието е същината на понятието “скален цикъл”. Геоложките процеси, които действат непрекъснато произвеждат нови скали от старите - това е смисълът на това понятие. Този скален цикъл може да се представи схематично (фиг.1.1). Схемата показва, че до известна степен традиционното поделяне на трите големи групи скали е по-тясно свързано с интензивните параметри (температурата и налягането). Приблизителният порядък на тези параметри, при които се извършват скалообразувателни процеси е показан на фиг. 1.2.

Ãåîëîæêîòî íàïðàâëåíèå, êîåòî å ðåøàâàëî òåçè çàäà÷è (à, á è â) ïî-ðàíî ñå å íàðè÷àëî ïåòðîãðàôèÿ (ñêàëîîïèñàíèå
2. ОПИСАНИЕ НА НАЙ-ЧЕСТО СРЕЩАНИТЕ ФОРМИ НА МАГМАТИЧНИТЕ ТЕЛА

Класификацията на магматичните тела може да се основава на най-различни техни морфологични особености. Тук ние приемаме предложеното от Hughes (1982) най-общо поделяне:

Факторите, които контролират интрузивното, ефузивното или диатремното поведение на магмите са различни. Кристализацията на магмата в дълбочина например, се определя от високото съдържание на вода и други летливи, от максималното понижаване на солидуса в резултат на разтваряне в магмата на вода под налягане и от неголемия температурен интервал между ликвидуса и солидуса. Киселите магми, които най-често се създават в орогенните области и които са по-наситени на вода и флуиди много по-лесно могат да кристализират изцяло без да достигнат до земната повърхност. Благоприятните фактори, за да се запази магмата в течно състояние до атмосферните условия са следните: малко съдържание на вода и на други летливи, химичен състав, допускащ минимално понижение на ликвидуса от разтворената в магмата вода и голям интервал между ликвидуса и солидуса. На тези условия отговарят в най-голяма степен базичните магми и затова базалтовият вулканизъм е толкова силно разпространен на Земята и на планетите от Слънчевата система. Необходимо условие за проява на диатремната асоциация (лампрофирни дайки, кимберлити и някои алкално-ултрабазични серии скали) е внедряването им не във вид на магмени топилки, а като силно флуидизирани газови системи. Експлозивното изтичане на вещество става от много голяма дълбочина, при ниска температура и затвърдяването в повечето случаи е преди достигането на земната повърхност, като видът на скалите наподобява с брекчиевидния си строеж агломератовите лави или туфите.

Очевидно е, че начинът на внедряването на едно магматично тяло зависи твърде много от химичния тип на магмата, но трябва да се отбележи, че точно разликата в плътностите на магмата и на вместващите скали е тази, която определя най-много морфологическата им характеристика. Другите причини като вискозитет на магмата и режим на напреженията във вместващата среда имат само допълнително влияние. Това е дало основание на Хол (Hall, 1987) да отдели в плутоничната асоциация от магмени тела два различни стила на интрузия, които образуват различаващи се морфологически тела. Тези стилове (класове) той нарича фелзични (A) и мафични (B) интрузии.

Фелзичните магми (гранити, сиенити и др.) са по-малко плътни от повечето от често срещащите се вместващи скали. Обратно, мафичните магми (базалт, андезит) са подобни по плътност на повечето от метаморфните гранити от магматично или утаечно начало, както и на твърдия гранит, въпреки че те не са по-плътни от базичните и ултрабазичните скали и метаморфните им еквиваленти. Ниско плътностните магми се характеризират с интрузивни механизми, свързани с изкачването на магма, поради плаваемостта й и с нагъването на вместващите скали. При вместването на високо-плътностните магми има много близко подобие с условията на хидростатично равновесие между магма и вместваща скала.