🌋 Что изучает петрология?
Кристаллические породы состоят из кристаллических веществ - минералов. Они образуются и изменяются (эволюционируют) под действием высоких температур и давлений, господствующих в недрах нашей планеты. Процессы образования и эволюции пород, зарождения, роста и исчезновения слагающих их минералов подчиняются физико-химическим законам. Зная эти законы и умея использовать их при изучении природных объектов, мы можем воссоздавать историю кристаллических горных пород с момента их зарождения до наших дней.
Основная задачи петрологии - восстановление условий образования кристаллических горных пород и связанных с ними полезных ископаемых, реконструкция процессов, изменявших и изменяющих облик нашей планеты в прошлом и настоящем. Но петрологи не только расшифровывают историю Земли и ищут месторождения. Ниже мы перечислим только несколько отраслей нашей науки, имеющие огромное значение для развития цивилизации.
Магматическая петрология и вулканология
Изучает процессы и причины образования вулканов, их развитие, строение и состав продуктов извержения, изменение характера их деятельности, а также закономерности размещения вулканов на поверхности Земли.
Метаморфическая
петрология
Изучает процессы метаморфического преобразования горных пород под воздействием температуры, давления и флюидов. Исследует прошлое горных пород и моделирует термодинамические условия метаморфизма.
Космическая
петрология
Петрологи нужны и в космосе. Космическая петрология изучает горные породы, из которых состоят планеты Солнечной системы и метеориты, исследует их химический состав, условия образования и интерпретирует их происхождение.
Как образуются породы? Как образуются месторождения? Как узнать прошлое породы? Как проверить наши выводы?Как происходит образование кристаллических горных пород?
Извержение вулкана Фаградальсфьядль в Исландии.
Фото Tanya Grypachevskaya.
В некоторых участках верхних земных оболочек температура превышает 1000°C. Твердые породы различного состава при таких температурах начинают плавиться. Плотность жидкости меньше, чем у твердого тела. Поэтому образовавшиеся расплавы поднимаются к поверхности. Большая их часть, охлаждаясь, медленно кристаллизуется на различных глубинах в виде плутонических магматических пород. В условиях постепенного снижения температуры из расплавов растут крупные, хорошо ограненные кристаллы минералов. Так образуются, например, граниты.
В районах, где земная кора разбита трещинам и разломам, некоторым расплавам удается достигнуть поверхности. В таких местах происходят извержения вулканов. Излившиеся на поверхность суши или дна океана магматические расплавы застывают и превращаются в вулканические породы, такие как базальты. Температура на поверхности гораздо ниже, чем в недрах Земли. Поэтому остывание расплавов идет очень быстро и образующиеся кристаллы минералов имеют микроскопические размеры. Иногда расплавы не успевают раскристаллизоваться и застывают в виде твердой аморфной массы - вулканического стекла.
В верхних слоях Земли остывающие магматические расплавы отдают окружающим породам свое тепло, выделяют раскаленные газы и растворы. Под действием этих факторов вмещающие горные породы начинают меняться: в них растворяются и исчезают существовавшие ранее минералы, а вместо них вырастают новые кристаллы. Образуются метаморфические породы - разнообразные сланцы и гнейсы. В недрах Земли перемещаться могут не только расплавы. Оказывается, даже самые твердые породы способны к пластическим деформациям - медленному течению под действием внешних сил. Благодаря этому на больших глубинах происходит конвекция твердых пород. В гравитационном поле Земли легкие породы поднимаются вверх, а более тяжелые опускаются вниз и попадают в области высоких температур и давлений, где они снова могут полностью или частично расплавиться.
Полезные ископаемые
Золотая руда в кварце.
В ходе образования и постоянного изменения кристаллических горных пород протекают химические процессы, приводящие к разделению и концентрации различных химических элементов. Так возникают месторождения полезных ископаемых. Алмаз, золото, платина, железо, никель, медь, фосфор, хром, олово, уран – вот далеко не полный их перечень. Каждое из этих полезных ископаемых возникает при определенных условиях и связано с определенными этапами образования горных пород. Значит, для эффективного поиска месторождений нам необходимо научиться находить эти породы, восстанавливать условия и историю их образования и изменения.
Как узнать прошлое породы?
Кристалл алмаза в мантийном ксенолите.
Фото Joel Arem.
Самый надежный способ узнать о каком-либо происшествии - допросить свидетелей. Но кто может быть свидетелем, когда речь идет о событиях, происходивших миллионы и, даже, миллиарды лет назад? А что, если допросить минералы, из которых состоят горные породы? Каждый из них возникал на определенном этапе их образования и при определенных условиях.
Прежде всего, каждый минерал образуется в некотором диапазоне условий (химический состав системы, температура, давление и т.д.) При изменении этих условий он может начать разрушаться, превращаться в другие минералы. Приведем только один пример. Алмаз возникает при давлениях не ниже 40000 атмосфер. Эти высокие давления существуют в недрах нашей планеты, начиная с глубин 120 - 150 км. Снижение давления, которое может быть вызвано подъемом породы или расплава к поверхности, может вызвать разрушение структуры этого минерала и превращение его в графит. Значит, встречая в горных породах один из этих минералов, мы можем определить давления и глубины, при которых происходило их образование.
Микрофотография изменённого ксенолита габбро.
Фото Christopher Nye.
В горных породах минералы живут не изолированно друг от друга. Их кристаллы и зерна соприкасаются, образуют сростки, захватывают друг друга в виде включений. Такое сообщество минералов называют минеральной ассоциацией. Взаимоотношения минералов в ассоциации могут быть различными, также зависящими от внешних условий. При одних температурах и давлениях они мирно уживаются друг с другом. При других - начинают конфликтовать, то есть вступают в химические реакции. В ходе этих реакций ранее существовавшие минералы могут полностью или частично исчезнуть, заместившись новыми, более приспособленными к данным условиям ассоциациями. Войны между минералами, вызванные изменением внешних условий, протекают в полном соответствии с законами физической химии. Таким образом, наблюдая взаимоотношения минералов в горных породах и зная физико-химические законы, петрологи получают возможность не только численно определять условия образования минералов и их ассоциаций, но и восстанавливать направление и скорости изменения этих условий.
Растущие кристаллы захватывали микроскопические включения минералообразующей среды: пузырьки газов, капельки расплава, мелкие кристаллики других минералов. Попадая внутрь растущего кристалла, эти включения оказываются законсервированными и, таким образом, сохраняются до наших дней не смотря на все изменения, которым подвергалась горная порода за свою долгую жизнь. Изучая такие включения можно последовательно реконструировать облик и состав горной породы на всех этапах ее истории. Нужно лишь научиться понимать этот язык природы, основанный на строгих законах физической химии. Это и является одной из основных задач петролога.
Как проверить наши выводы?
Алмазная наковальня. Используется для воссоздания
условий глубинных оболочек Земли.
Фото Steve Jacobsen.
Рассказы свидетелей всегда нуждаются в подтверждении. Но мы не можем непосредственно наблюдать большинство процессов образования кристаллических горных пород. Этому препятствуют высокие температуры, давления и глубины. Да и человеческая жизнь слишком коротка. Остается один выход - эксперимент. Меняя условия, мы можем из простых химических веществ получить аналоги природных горных пород и минералов. Если это удается сделать, значит исследованные породы и минералы образовались при тех же температурах, давлениях и прочих условиях, которые мы подобрали для нашего эксперимента. Это - задача экспериментальной петрологии.
👩🎓 Подготовка студентов и трудоустройство
При поступлении на Геологический факультет МГУ абитуриенты выбирают одно из отделений: геохимии, геофизики, геологии или инженерное отделение. Кафедра петрологии и вулканологии относится к отделению геохимии. На 1 и 2 курсе все студенты геохимического отделения учатся вместе, проходя курсы всех кафедр отделения геохимии (петрологии, минералогии, кристаллографии и геохимии), а также первую и вторую практики в Крыму и Уральскую петрологическую практику. После практики на Урале каждый студент пишет заявление о том, на какую кафедру ему хочется поступить для окончания бакалавриата.
Студенты, выбирающие кафедру петрологии и вулканологии, знакомятся со всеми описанными выше направлениями нашей науки. Навыки, полученные на лекционных и практических занятиях, закрепляются в ходе собственной исследовательской работы с научным руководителем и практики по экспериментальной петрологии 3-го курса.
На старших курсах студенты проходят производственные практики на Курильских островах, Камчатке, Урале, Кольском полуострове, в Карелии.
Основной принцип обучения студентов на кафедре петрологии и вулканологии - индивидуальная работа. Начиная с 1-го курса, будущие петрологи проводят самостоятельные научные исследования по интересующей их тематике под руководством преподавателей кафедры (посмотреть список предложенных тем для 1-го курса можно здесь). При этом они используют имеющиеся в распоряжении кафедры электронные и оптические микроскопы, лабораторию для экспериментов при высоких температурах и давлениях, аналитические приборы и компьютеры.
Практически все выпускники кафедры (90%) находят работу по специальности. Большинство работает в различных институтах, научных центрах и в геологических производственных организациях России, Китая и других стран. Примерно 40% ребят после окончания университета продолжают обучение в аспирантурах кафедры и институтов Академии Наук.