Кристаллофизика : минералогия природных процессов

УДК 548 
 
М18 

Р е ц е н з е н т  
канд. геол.-мин. наук, доц. Б.Л. Егоров 

Малышева Т.Я., Мансурова Н.Р., Голубев О.В. 
М18  
Кристаллофизика: Минералогия природных процессов: 
Курс лекций. – М.: МИСиС, 2005. – 78 с. 

В учебном пособии подробно рассмотрены процессы природного рудообразования и описаны основные генетические типы руд черных металлов. 
Также приведены общие сведения о железе, марганце, хроме, ванадии и 
представлены основные промышленные месторождения руд этих металлов. 
Даны развернутые характеристики наиболее важных рудных минералов железа, марганца, хрома и ванадия. Кратко изложены сведения о требованиях 
промышленности к рудам черных металлов. 
Пособие составлено в соответствии с программой учебного курса «Кристаллофизика» и предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 110100 «Металлургия чёрных металлов», 110900 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов» и 110400 «Литейное производство». 
 

© Московский государственный институт

стали и сплавов (Технологический  
университет) (МИСиС), 2005 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение................................................................................................4 
1. Природное рудообразование ...............................................................6 
1.1. Строение Земли..............................................................................6 
1.2. Вулканизм – источник минералообразования ............................9 
1.3. Геохимические особенности рудообразования в 
различных геотектонических процессах..........................................14 
1.3.1. Эндогенные процессы..........................................................15 
1.3.2. Экзогенные процессы...........................................................15 
1.3.3. Метаморфические процессы ...............................................16 
2. Условия формирования полезных ископаемых...............................18 
2.1. Магматические месторождения .................................................18 
2.2. Скарновые месторождения.........................................................20 
2.3. Гидротермальные месторождения.............................................24 
2.4. Месторождения коры выветривания .........................................26 
2.5. Осадочные месторождения.........................................................28 
2.6. Метаморфические месторождения ............................................31 
3. Черные металлы..................................................................................37 
3.1. Железо ..........................................................................................38 
3.1.1. Геохимия железа...................................................................38 
3.1.2. Минералогия железных руд.................................................39 
3.1.3. Генетические типы железных руд.......................................50 
3.1.4. Требования промышленности к железным рудам.............54 
3.2. Марганец ......................................................................................55 
3.2.1. Геохимия марганца...............................................................55 
3.2.2. Минералогия марганцевых руд...........................................56 
3.2.3. Генетические типы марганцевых руд.................................61 
3.2.4. Требования промышленности  к марганцевым рудам ......63 
3.3. Хром..............................................................................................65 
3.3.1. Геохимия хрома ....................................................................65 
3.3.2. Минералогия хромитовых руд ............................................65 
3.3.3. Генетические типы хромитовых руд ..................................67 
3.3.4. Требования промышленности  к хромитовым рудам .......69 
3.4. Ванадий.........................................................................................70 
3.4.1. Геохимия ванадия.................................................................70 
3.4.2. Минералогия ванадиевых руд .............................................71 
3.4.3. Генетические типы ванадиевых руд ...................................74 
3.4.4. Требования промышленности  к ванадиевым рудам ........76 
Библиографический список...................................................................77 

Введение 

Понятие «от руды до металла» объединяет две области знаний: 
металлургию и геологию. Природное и техногенное рудообразование 
имеют много общего. Руды и металлургические продукты представляют собой полиминеральные объекты, состоящие из разных по составу кристаллов минеральных фаз.  
Большинство руд являются продуктами высокотемпературных 
магматических процессов, происходящих в недрах Земли при ликвации магматического расплава на легкую силикатную и тяжелую рудную составляющие. Это, в определенной мере, напоминает механизм 
разделения на шлак и металл при доменной плавке железорудного 
материала. 
Осадочные месторождения образуются путем разрушения и переотложения рудных масс магматического происхождения, а также в 
результате их попадания в иные природные, физико-химические и 
механические условия. Аналогия с металлургическими процессами в 
данном случае в том, что при переотложении руд происходит разделение рудных и силикатных минералов, – это является сутью процесса обогащения руд. 
Последующий процесс преобразования осадочных месторождений в метаморфические связан с опусканием огромных осадочных 
масс в глубинные слои земной коры под действием геотектонических 
подвижек и с перекристаллизацией минерального вещества в зонах 
высоких температур и давления. Металлургическим аналогом его 
является процесс окускования, когда рудный концентрат после 
окомкования подвергается высокотемпературной обработке, где решающими факторами становятся состав газовой фазы и температура.  
Происхождение минералов, сложные процессы их образования и 
условия существования – все это объединяется понятием генезис минералов или минеральных ассоциаций. Под генезисом понимают 
весь природный цикл фазообразования: представление о зарождении 
и росте минерала, физико-химический механизм его формирования, 
включающий свободную кристаллизацию, изоморфные замещения, 
полиморфные превращения, перекристаллизация в твердом состоянии и с участием жидких фаз. 
Природные процессы рудообразования происходили в течение 
всех геологических эпох Земли, происходят они и в настоящее время. 
Любые минералы или минеральные ассоциации устойчивы лишь в 

среде своего образования. С изменением условий существования они 
становятся неустойчивыми и стремятся превратиться в минералы 
более устойчивые в данной физико-химической среде. Гипергенные 
или поверхностные процессы фазовых превращений минеральных 
ассоциаций происходят на поверхности земной коры.  
Процессы минералообразования во многом зависят от геотектонических условий существования Земли в целом. Поверхность земной коры постоянно меняется под влиянием механических деформаций слагающих ее структурных элементов и поэтому находится в 
постоянном движении. Сложность условий рудообразования в том, 
что часть рудных месторождений образуется в глубинах магматических очагов Земли, другая – на ее поверхности, в земной коре. За 
длительную геологическую историю происходило последовательно: 
магматическое рудообразование, затем разрушение, эволюционное 
изменение слагающих руду минералов и появление на их месте новых месторождений, которые тоже в геологическом летоисчислении 
оказывались недолговечными. Все процессы минералообразования 
взаимосвязаны, поэтому существует однотипность целого ряда месторождений. Для того чтобы ориентироваться в сложной геологической системе взаимосвязи процессов появления и исчезновения рудных месторождений, необходимо представлять внутреннее строение 
Земли и связанные с ним физико-химические и геотектонические 
процессы.  

1. ПРИРОДНОЕ РУДООБРАЗОВАНИЕ 

1.1. Строение Земли 

Общепринятым считается мнение о том, что процессы рудообразования связаны, в первую очередь, с вулканической деятельностью. 
В процессе извержения вулканов полезные ископаемые последовательно выносятся из недр Земли на поверхность земной коры вместе 
с огненно-жидкой магмой и газово-жидкими расплавами. Все процессы рудообразования непосредственно связаны с геотектоническим состоянием Земли. О составе Земли и ее свойствах имеются 
только предположительные сведения, поскольку непосредственному 
наблюдению доступна только самая верхняя оболочка земного шара. 
Наиболее достоверные данные получены при использовании сейсмического метода, основанного на изучении путей и скорости распространения в Земле сейсмических волн, регистрирующих различную 
плотность слагающих слоев Земли. С их помощью удалось составить 
представление о внутреннем строении Земли (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Современное представление о внутреннем строении Земли 

Верхняя сфера Земли – земная кора (А на рис. 1.1) самая сложная 
по составу, она делится на три слоя: верхний осадочный – до 20 км, 
средний гранитный – 10…40 км и нижний базальтовый – до 70 км. 
Под океанами осадочный слой имеет толщину всего в несколько сотен метров. Гранитный слой, как правило, отсутствует. Вместо него 
существует слой неясной природы толщиной 1,0…2,5 км. Глубина 

базальтового слоя под океанами в отличие от земной коры достигает 
только 5 км. Под базальтовым слоем залегает мантия. С помощью 
сейсмических методов четко установлено, что между земной корой и 
мантией существует поверхность раздела, названная поверхностью 
Мохоровичича. Здесь скорость продольных волн возрастает с 6,3 до 
7,8 км/с, а поперечных с 3,7 до 4,3 км/с. Увеличение скорости волн 
обусловлено резким повышением плотности вещества по сравнению 
с плотностью земной коры. Слой Мохоровичича представляет собой 
нижнюю границу земной коры и находится в различных частях Земли на неодинаковой глубине. 
Мантия состоит из трех слоев В, С, D (см. рис. 1.1) и простирается от поверхности Мохоровичича до глубины 2900 км, где она граничит с ядром Земли. Слои В и С образуют верхнюю мантию толщиной 850…900 км, слой D – нижнюю мантию (около 2000 км). Верхнюю часть мантии (слой В), залегающую непосредственно под корой, называют субстратом. Кора вместе с субстратом образует литосферу. Нижняя часть верхней мантии (слой С) названа именем открывшего ее сейсмолога Б. Гутенберга. Скорость распространения 
сейсмических волн в пределах слоя Гутенберга несколько меньше, 
чем в выше- и нижележащих слоях, что объясняется повышенной 
текучестью его вещества. Этот слой является сейсмическим волноводом, поскольку сейсмические волны долгое время идут вдоль него. 
Лежащий ниже слой является зоной быстрого нарастания скоростей 
сейсмических волн как продольных, так и поперечных. 
Земное ядро имеет средний радиус ∼ 3500 км и делится на внешнее ядро (слой Е) и субъядро (слой G) с радиусом ∼ 1300 км. Их разделяет переходная зона (слой F) толщиной ∼ 300 км, которую обычно относят к внешнему ядру. На границе мантии и ядра наблюдается 
скачкообразное падение скорости продольных сейсмических волн. 
Внутри ядра скорость возрастает, увеличиваясь скачком вблизи границы с субъядром, где сейсмические волны распространяются с неизменной скоростью. 
Неодинаковы и физические характеристики различных слоев Земли. С увеличением глубины изменяются значения величин силы тяжести, плотности, давления, вязкости и температуры. В земной коре 
и верхней мантии температура повышается с глубиной залегающих 
слоев. Из мантии к земной поверхности идет тепловой поток несколько меньший, чем поступающее тепло от Солнца. В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего 
ее материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 

600…700 °С. В слое Гутенберга температура, по-видимому, близка к 
точке плавления (1500…1800 °С). Оценка температур для более глубоких слоев мантии и земного ядра носит предположительный характер. По-видимому, в ядре она не превышает 4000…5000 °С, а 
давление может достигать 3,5 млн. атм. Вязкость материала мантии 
выше и ниже слоя Гутенберга порядка 1023 Пз, вязкость же материала самого слоя понижена, около 1019…1021 Пз. Считается, что благодаря этому в слое Гутенберга происходит медленное перетекание 
материальных масс в горизонтальном направлении под влиянием 
неравномерной нагрузки со стороны земной коры. Полагают, что 
вязкость внешнего ядра на много порядков меньше вязкости мантии.  
В составе Земли преобладают железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют > 90 % массы Земли. Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из 
кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, 
кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий образуют 
наиболее распространенные в земной коре соединения. Предполагается, что ядро состоит из железо-никелевого сплава подобно металлической фазе хондритов1 метеоритов. Мантия состоит преимущественно из тяжелых минералов, богатых магнием и железом, которые 
входят в состав силикатов. В субстрате, по-видимому, преобладает 
форстерит Mg2SiO4, ближе к ядру – фаялит Fe2SiO4. Предполагается, что в нижней мантии эти минералы под влиянием очень высокого 
давления разлагаются на отдельные оксиды: SiO2, MgO, FeO. Агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давления. Материал мантии был бы расплавлен, 
если бы не высокое давление, вследствие которого все вещество 
мантии находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением, вероятно, слоя Гутенберга, где влияние близкой к точке 
плавления температуры сказывается сильнее, чем действие давления. 
Полагают, что здесь вещество мантии находится либо в аморфном, 
либо частично в расплавленном состоянии. 
Внешнее ядро, очевидно, находится в жидком (расплавленном) 
состоянии, поскольку поперечные сейсмические волны, не способные распространяться в жидкости, через него не проходят. С сущест––––––––– 
1 Хондрит – наиболее распространенный тип каменных метеоритов, составляющий 
90 % всех каменных метеоритов. Характерной их особенностью является наличие 
хондр – округлых образований размером в среднем 0,5…1,0 мм, заключенных в основной тонкозернистой массе метеорита. Содержат значительное количество никелистого железа в виде мелких зерен.