3.5. Формирование и запасы полезных ископаемых

Человечество использует почти все химические элементы, которые создала природа. Они применяются как в чистом виде, так и в составе многочисленных соединений естественного происхождения и создаваемых искусственно. Среди последних много таких, которые в природе не встречаются. Более того, без многих элементов и веществ человечество теперь не может обходиться. Они необходимы для того, чтобы поддерживать жизнь на достигнутом уровне, чтобы могла работать промышленность, существовало современное механизированное сельское хозяйство, чтобы развивалась наука.

С другой стороны, без горючего, без металлов и иных веществ не могла бы существовать военная промышленность, позволяющая людям истреблять друг друга с такой высокой эффективностью.

Когда Земля сформировалась, она содержала все природные элементы, конечно, в разных количествах (см. п. 3.2) и все они были более или менее перемешаны, рассеяны. Но затем в ходе дальнейшей эволюции, в результате разнообразных, длительных и сложных геологических процессов, иногда при участии живых организмов, произошло «чудо»: элементы, точнее вещества их содержащие, разделились. Образовались залежи полезных ископаемых, в которых концентрация химических элементов во много раз превосходит среднее содержание в Земле или земной коре. Например, содержание железа в богатой руде (магнетит) может доходить до 60%, меди (халькозин) до 8–10%, углерода (антрацит) до 90% при содержании этих элементов в земной коре соответственно 4,2; 0,012; 0,35%. Есть и более разительные примеры.

Это кажется удивительным, почти чудом, потому, что мы привыкли считать, будто естественные природные процессы обычно выравнивают расхождения, нивелируют разницу: металлы разъедаются коррозией и рассеиваются, сооружения разрушаются, даже горы сглаживаются и исчезают из-за выветривания. Однако, это не всегда так. Природа на протяжении многих миллионов, даже миллиардов лет формировала, собирала и накапливала богатства в своих кладовых, создавая запасы. Человечество, достигнув определенного уровня развития, открыло эти богатства и научилось их использовать. С этого момента они превратились в полезные ископаемые.

Если бы не было запасов полезных ископаемых, развитие человечества наверняка надолго задержалось бы или вообще пошло по иному пути. Сейчас трудно сказать, хорош или плох для судеб человечества выбранный путь, но историческая реальность именно такова. В литературе, посвященной ресурсам и их использованию [2.10; 2.39—2.43 и др.] полезные ископаемые принято делить на 5 групп:

1. Энергетические ресурсы. Сюда входят каменные угли, нефть, горючие газы и сланцы, битумы, торф и другие горючие вещества, а также уран.
2. Руды, содержащие распространенные металлы: железо, алюминий, марганец, титан и магний.
3. Руды редких металлов, таких, как медь, никель, молибден, олово, кобальт, цинк, свинец, ртуть, вольфрам, серебро, золото, металлы платиновой группы и другие.
4. Строительные материалы, например, мел, известняк, глины, песок, мрамор.
5. Сырьё для химической промышленности — сера, хлор, кальций, йод, бор, минеральные удобрения и многие другие.

Это деление лучше рассматривать как условное; оно не является ни строгим, ни исчерпывающим. Например, горючие вещества, в первую очередь нефть и уголь, являются ценным сырьем для химической промышленности. Запасы урана по происхождению и характеру залежей близки к рудам редких металлов. Не вполне ясно, к какой группе — 4-й или 5-й — должны быть отнесены материалы, используемые для изготовления стекла, посуды. Тем не менее, когда речь идёт о запасах и добыче, то такое деление достаточно удобно. Но здесь нас интересует происхождение полезных ископаемых, формирование их залежей. Этим вопросам посвящена обширная геологическая литература [2.26; 2.37; 2.56 и др.]. В данной книге невозможен подробный и систематический обзор, поэтому, мы ограничимся общим и кратким описанием только некоторых, самых главных физико-химических процессов, приводящих к формированию месторождений минерального сырья.

Залежи полезных ископаемых образуются в ходе трех основных геологических процессов: вулкано-магматических, выветривания, осадкообразования, причем в двух последних — часто с участием живых организмов. Уже формирование внутренней структуры Земли с железным ядром, мантией и корой, рассмотренное в гл. 2, а также образование гидросферы и атмосферы представляют собой геологические процессы, приводящие к разделению ранее смешанных веществ, причем, кислород в атмосфере — это работа живых организмов.

Магматические месторождения образуются в результате физико- химических преобразований магмы, поднявшейся из верхней мантии и остывающей в земной коре или на поверхности. В геологии используется ещё более широкое понятие — эндогенные месторождения, образовавшиеся за счет энергии земных недр.

Уже простое остывание расплавленной магмы может приводить к разделению веществ:

Во-первых, за счёт разной температуры перехода из жидкой фазы в твердую для разных веществ. При остывании магмы сначала выпадают (кристаллизуются) самые тугоплавкие вещества, затем, по мере снижения температуры, выделяются все более легкоплавкие, пока не затвердеет весь магматический очаг. Если кристаллизующееся вещество отличается по плотности от остальной, пока еще жидкой среды, а так обычно и бывает, оно выпадает вниз или всплывает наверх. Образующиеся породы называются кристаллизационными. Таким способом могут формироваться хромовые руды, залежи платины (Бушвельд в Южной Африке, некоторые районы Урала), алмазы (Трансвааль, Якутия). Кристаллизационные процессы протекают, как правило, на большой глубине, при высоких давлениях и температурах.

Во-вторых, если даже температуры затвердевания разделяющихся веществ близки, но в расплавленном состоянии они образуют несмешивающиеся жидкости, наподобие металла и шлака в доменных печах, то они могут разделиться еще в жидком состоянии — за счёт разной плотности. Такие процессы разделения называются ликвационными. После затвердевания образуются два или несколько слоёв с различными породами. Многие медно-никелевые месторождения, а также руды, содержащие кобальт, золото, серебро, металлы платиновой группы и др. в Канаде, Африке, России (СССР) сформировались ликвационным путём.

Кристаллизационные и ликвационные процессы являются всего только простейшими случаями, когда разделение веществ осуществляется физико-механическим путем. Но гораздо большую роль в формировании горных пород и скоплений полезных ископаемых играют процессы, связанные с движениями водных растворов и газов, а также химические реакции, которые происходят между веществами, входящими в состав магмы и окружающих пород или между водой и газами, выделяющимися из магмы и верхней мантии. Эти реакции многочисленны, сложны и разнообразны. Их ход определяется многими факторами: химическим составом магмы и окружающих пород, физическими условиями — давлением, температурой, скоростью их изменения по мере остывания магматических масс при подъеме в верхние слои коры.

Расплавленное магматическое вещество всегда содержит воду (от 1 до 10%) и газы. Вода и при обычных условиях — очень хороший растворитель, а нагретая до нескольких сотен градусов и под давлением в сотни, тысячи атмосфер, да еще насыщенная кислотами и щелочами, способна растворять почти всё — металлы (даже такие, как золото), их соединения и многие другие вещества, не говоря уже о разнообразных газах. Когда, по мере подъёма и остывания магматического вещества давление и температура снижаются, растворимость газов и воды в магме, а также газов и различных веществ в воде, уменьшается. В результате вода и летучие компоненты начинают выделяться из общей смеси и по пустотам, трещинам, порам в земной коре устремляются наверх. Иногда эти процессы идут спокойно и медленно, продолжаясь десятилетиями, даже столетиями, а в некоторых случаях приобретают бурный, почти взрывной характер, магматический расплав начинает кипеть, причем, создаются местные повышения давления, выжимающие воду и газы в окружающие породы и вверх, на поверхность Земли. Это похоже на внезапно открытую бутылку с шампанским, когда вылетевшая пробка ударяет в потолок, а содержимое вытекает, заливая скатерть и костюмы присутствующих. Только масштабы явлений в природе иные.

Вероятно, многие читали или слышали о подземных источниках горячих вод (Исландия, Долина Гейзеров на Камчатке и др.), о газах, выделяющихся из потухших или действующих, но спокойных вулканов (например, на Курильских островах, Аляске, в ряде других мест). Известны лавовые озера с температурой поверхности 1000–1300 ${}^{\circ }$C, не застывающие десятилетиями, потому что из-за выделения газов жидкая лава всё время перемешивается, получая тепло из глубинного магматического очага (вулкан Геле-Мау-Мау, Гавайи). Подобные процессы протекают сравнительно спокойно, но зато действуют с незапамятных времен. Это уже похоже на студень, который заботливая хозяйка часами уваривает, готовясь к приему гостей, которые откроют шампанское и зальют её любимую скатерть.

В этом движении могут принимать участие и поверхностные воды, которые по трещинам и порам просачиваются вниз, нагреваются вблизи магматических очагов, растворяют различные вещества, а потом, при подъёме и остывании, выделяют их уже в более концентрированном виде. В результате всех этих процессов происходят следующие явления:

1. Растворённые вещества переносятся водой, иногда на значительное расстояние от магматического очага, а затем, при подходящих условиях, при определённом давлении и температуре, выделяются из воды или вступают в химические реакции с окружающими породами, образуя отложения полезных ископаемых. Поскольку растворимость разных веществ, а значит и способность воды удержать эти вещества в растворе, зависит от температуры и давления, причем разные вещества выделяются из растворов при разных условиях, то происходит разделение химических соединений. Так образуются залежи многих металлических руд, содержащих медь, железо, золото, серебро, ртуть, висмут, ванадий, уран и другие металлы, а также некоторые неметаллические соединения. Залежи полезных ископаемых, образовавшиеся таким образом, называются гидротермальными.
2. Выделения газа и пара из магмы и магматических растворов называются эксгаляциями; при этом различают фумаролы — выделения из действующих вулканов — и сольфатары — выделения из потухших вулканов. Кроме паров воды эксгаляционные выделения содержат углекислый и угарный газы ($\text{CO}$2, $\text{CO}$), аммиак ($\text{NH}$3), сероводород ($\text{H}$2S), пары соляной кислоты ($\text{HCl}$), фтористого водорода ($\text{HF}$) и другие газы, а также летучие соединения, содержащие бор ($\text{B}$), мышьяк ($\text{As}$), сурьму ($\text{Sb}$), алюминий ($\text{Al}$), железо ($\text{Fe}$), цинк ($\text{Zn}$), медь ($\text{Cu}$), свинец ($\text{Pb}$) и ряд других металлов. Большинство из этих составляющих выносятся в атмосферу и потом распространяются осадками по поверхности Земли, но некоторые осаждаются в пустотах, трещинах, а то и в жерлах вулканов. Так образуются месторождения серы, графита, борной кислоты, хлориды — соединения металлов (железа, меди, свинца) с хлором; сульфиды — соединения металлов (цинка, меди, железа, свинца) с серой и ряд других веществ. Такого рода месторождения серы, борной кислоты, нашатыря, поваренной соли известны в вулканических районах (Камчатка, Китай, Калифорния, Япония и др.).
3. Особенно большое значение для формирования полезных ископаемых имеют разнообразные химические реакции. Они протекают избирательно: в зависимости от химического состава и физического состояния смесей (расплавленной магмы, твёрдых окружающих пород, водных растворов, смеси газов), а также от температуры и давления, происходят те или иные реакции и выделяются месторождения определенного состава.

Рудные тела, выделившиеся из расплавленной магмы, часто имеют причудливую форму пустот, заполнявшихся расплавом, трещин, трубок, по которым поднималась лава или горячие гидротермальные растворы. Так образовались золотоносные кварцевые жилы, кимберлитовые трубки с алмазами в Южной Африке и Якутии. Иногда образуются крупные самородки золота, платины, некоторых других металлов. Так, например, на Урале были найдены самородки золота весом 35 кг (Миасский район) и платины 9,6 кг (Нижний Тагил). При кристаллизации иногда образуются очень крупные, весом в несколько тонн, кристаллы кварца, полевых шпатов, слюды, горного хрусталя.

Некоторые металлы, обладающие сходными физико-химическими свойствами, выделяются одновременно и в одном месте. Тогда возникают комплексные полиметаллические месторождения — золото-серебряные, железо с марганцем и с хромом, медь с оловом, цинком, свинцом, ртуть с растворённым золотом и др.

Эндогенные (магматические) процессы считаются первичными в том смысле, что они являются первоисточником вещества, и, следовательно, любых геологических структур на земной поверхности.

Эндогенным путём формируются месторождения многих металлических руд: железа, титана, хрома, меди, олова, свинца, цинка, вольфрама, ванадия, марганца, ртути, серебра, золота, платины и других; ряда неметаллических месторождений: серы, борной кислоты, апатитов, мышьяка, слюды, асбеста, талька; залежи драгоценных и полудрагоценных камней: алмазов, изумрудов, горного хрусталя, гранатов и др.

Однако, основным поставщиком сырья для горнодобывающей промышленности всё же являются вторичные процессы — экзогенные: выветривание, осадкообразование, а также преобразование пород с участием живых организмов. Для экзогенных процессов движущей силой, источником энергии является уже не глубинное тепло Земли, а солнечная радиация.

Выветривание и осадкообразование были описаны выше. Рассмотрим теперь, как эти процессы могут привести к образованию залежей полезных ископаемых.

Выветривание, разрушая горные структуры, вместе с ними разрушает и первичные скопления полезных ископаемых, меняет их форму и состав. При этом возможны следующие процессы:

1. При разрушении горных пород образуется галька, песок. Если в составе разрушаемой структуры содержались рудные жилы, пленки, неправильной формы рудные образования, то они переходят в песок и гальку. Так образуются россыпи, которые бывают элювиальными, если материал остается на месте или делювиальными, если материал перемещается в составе оползней, обвалов и т. п. Россыпи часто служат источником добычи драгоценных и редких металлов — золота, платины, олова в составе касситерита ($\text{SnO}$2), а также некоторых драгоценных камней и иных материалов, которые в обычных условиях земной поверхности уже не растворяются в воде и не участвуют в химических реакциях. И хотя ценные материалы в россыпях обычно бывают менее сконцентрированы, их легче обнаружить, а часто и организовать добычу. Кроме того, элювиальные россыпи могут привести к первичным жилам, если процесс выветривания не закончен, и они разрушены только частично.
2. Материал россыпей может быть подхвачен ручьями и реками и переноситься на значительные расстояния от первоначального места образования. При этом возможно разделение частиц полезного материала и пустой породы. Оно основано на том, что выпадение на дно частиц, переносимых водой, происходит избирательно, в зависимости от удельного веса и размеров. Например, тяжелые крупинки золота или платины выпадают на дно, а более легкий песок, тем более глина, уносятся дальше потоком воды. На этом принципе основана промывка золота и платины при их добыче из россыпей.
3. Химические реакции, развивающиеся при выветривании, также могут приводить к концентрации полезных ископаемых. Поверхностные или грунтовые воды, просачиваясь в подходящих условиях через пористые слои (пески, песчаники и т. п.), растворяют соли, кислоты или щелочные соединения. При этом растворяющая способность воды увеличивается, оставаясь избирательной. Очень сильно увеличивают способность воды к химическим реакциям и к растворению минеральных соединений некоторые вещества органического происхождения, особенно гумусовые кислоты, которые образуются в верхних слоях при разложении отмерших растений и легко растворяются в воде.

Циркуляция подземных вод приводит к растворению минералов, в том числе мелкодисперсных соединений металлов, рассеянных в окружающих породах, переносу их в другие места и переотложению в изменившихся условиях уже в виде сплошных рудных масс. При этом в местах, где минералы переходят в раствор, образуются поры, трещины, облегчающие дальнейшее разрушение пород, или создающие пространство для формирования новых отложений. Значительную роль в подобных реакциях играет свободный кислород, содержащийся в поверхностных водах. Он переводит сернистые и хлористые соединения металлов в окислы, превращая нерастворимые вещества в растворимые, и участвует во многих других реакциях.

Месторождения полезных ископаемых, образующиеся таким путем, называются инфильтрационными. Они могут содержать железо, медь, марганец, ванадий, уран, фосфориты, гипс и другие вещества и элементы. Поскольку эти процессы протекают длительно (миллионы и более лет), то могут формироваться залежи большой мощности, охватывающие значительные площади.

Очень легко в простых домашних условиях воспроизвести подобный процесс: откройте кран с как будто бы чистой водой и оставьте небольшую струйку, текущую на белую раковину или ванну. Через несколько часов это место побуреет, а за несколько дней (не стоит этого делать, но легко можно вообразить) образуется темно-коричневый налет, который не так-то легко удалить. Это — бурый железняк, окись железа, самая настоящая, высококачественная железная руда. Если (хотя бы мысленно) опыт продолжить несколько недель, месяцев или год, то получится уже пленка заметной толщины — например, 1 мм за год. Легко подсчитать что будет через миллион лет. Вот как раз подобные явления все время происходят в природе, только в более благоприятных условиях (при повышений температуре в глубине, более насыщенных растворах) и длятся они миллионы лет.

Мы рассмотрели некоторые пути формирования полезных ископаемых в связи с процессами выветривания. Осадкообразование может привести и приводит к явлениям ещё более важным, еще более крупным по своим масштабам. Выветривание и образование осадков — связанные процессы, например, формирование россыпей в речных потоках, упомянутое выше, в связи с выветриванием можно отнести и к осадочным явлениям. При формировании осадочных пород вода и климат имеют ещё большее значение, чем при выветривании. В этом смысле геологи выделяют на суше несколько физико-географических зон, отличающихся условиями и типами происходящих процессов [2.46; 2.56]:

Ледовый тип. Он формируется в континентальных областях с мощным ледяным покровом. В ледниковые периоды он может захватывать умеренные, даже субтропические широты. Этот тип осадков характеризуется валунами, галькой в сочетании с песком и глиной. Существенного хозяйственного значения не имеет.

Гумидный тип. Для этих зон характерны: большое количество осадков, теплый или жаркий климат, обилие растительности. Гумидные зоны на земной поверхности образуют три полосы, протянувшиеся параллельно экватору — северная и южная умеренные и тропическая (экваториальная). Здесь процессы идут особенно интенсивно, образуя залежи каменного угля, бокситов, фосфоритов, железных и марганцевых руд, строительных материалов, глин.

Аридный (т. е. сухой) тип. В основном это зоны пустынь и полупустынь, с сухим и жарким климатом, бедной растительностью. Роль грунтовых вод здесь понижена, многие процессы связаны с ветром. При испарении озёр и морских заливов образуются залежи солей.

Существуют еще некоторые типы районов, например, эффузионно- осадочный, складывающийся вблизи действующих вулканов, но они менее распространены.

По условиям выпадения осадки делятся на механические, когда сравнительно крупные частицы в морях и озерах выпадают на дно, и химические, когда из-за изменений в кислотно-щелочном составе воды те или иные вещества, содержащиеся в истинных растворах¹⁵ , перестают быть растворимыми и выпадают в виде твёрдых осадков. Промежуточное место между этими двумя формами занимают коллоидные растворы, в которых примесь входит в виде мельчайших частичек размером $10^{-4}$–$10^{-6}$ мм. При подходящих условиях эти взвешенные частицы объединяются в более крупные (этот физический процесс называется коагуляцией) или превращаются в студенистые массы — гели, которые выпадают на дно, образуя толщи донного ила.

Способность воды растворять различные вещества зависит от содержания и относительного количества в растворе отрицательных ионов гидрокисла $\text{OH}$− и положительных ионов водорода $\text{H}$+, на которые распадаются (диссоциирует) часть молекул воды. В зависимости от обстоятельств эти ионы могут входить в химические соединения, и тогда вода обогащается либо ионами $\text{H}$+, либо $\text{OH}$−. Количественно это состояние характеризуется так называемым водородным показателем $\text{pH}$ (определяет логарифм концентрации ионов $\text{H}$+). Нормальное (химически нейтральное) значение $\text{pH}=\text{7}$, но в зависимости от типа воды оно меняется в пределах от 2–3 до 10, что означает изменение концентрации ионов $\text{H}$+ в $10^8$ (сто миллионов) раз. Такому изменению $\text{pH}$ соответствует ряд типов воды:

• вода в торфяных болотах ($\text{pH}=\text{3}$–4);
• дождевая вода ($\text{pH}=\text{6}$);
• обычная («мягкая») речная или озерная вода (7);
• «жесткая» вода (8);
• морская вода (8,1–8,4);
• пересыхающие соленые озера и бухты (10).

Когда крупная пресная река впадает в море, создаётся переходная зона с разной соленостью, и в ней растворённые в речной воде вещества могут выпадать из раствора, причём в разных местах конденсируются разные осадки.

Когда изолированное озеро или мало связанная с морем бухта (например, залив Кара-Бугаз в восточной части Каспийского моря) вследствие испарения при недостатке или полном отсутствии притока пресной воды начинает пересыхать, то его солёность постепенно повышается. При этом разные вещества выпадают в разное время (при разной солёности).

Исследованиями выяснена последовательность выпадения окислов металлов в зависимости от значения $\text{pH}$, а также других соединений в зависимости от концентрации солей. Например:

• для окислов в [2.56] указывается ряд: $\text{Al}$, $\text{Fe}$, $\text{Mn}$, далее следует кремнезём $\text{SiO}$2 (по мере увеличения $\text{pH}$);
• для гидроокислов типа $\text{Fe}\text{(}\text{OH}\text{)}$n в [2.40] приводится ряд $\text{Fe}\text{(}\text{OH}\text{)}$3, $\text{Al}$, $\text{Cu}$, $\text{Fe}\text{(}\text{OH}\text{)}$2, затем идут гидроокислы $\text{Ni}$, $\text{Mn}$, $\text{Mg}$;
• для других веществ и солей в [2.42; 2.56] даётся ряд: фосфориты ($\text{Ca}$3P2O8), силикаты (например $\text{K}$2SiO3), сульфид меди ($\text{CuS}$), известняк ($\text{CaCO}$3), гипс ($\text{CaSO}$4), далее при очень высоких концентрациях выделяются поваренная соль ($\text{NaCl}$), хлориды калия и магния ($\text{KCl}$, $\text{MgCl}$2).

Таким образом, образование осадков сопровождается многими реакциями, приводящими к разделению химических соединений и формированию их залежей.

Особую роль в формировании осадочных пород и залежей полезных ископаемых в них играют живые и отмирающие организмы. Здесь можно выделить несколько характерных процессов.

1. Многие морские животные формируют свои раковины и скелеты из фосфорных, кальциевых, кремниевых соединений, растворённых в морской воде. После отмирания «хозяев», в основной массе — мельчайших существ, их раковины опускаются на дно. Накопленные таким образом осадочные слои после уплотнения в течение десятков и сотен тысяч лет затвердевают и превращаются в горные породы, такие как мел, известняк, возможно фосфориты и др. В результате вертикальных движений земной коры, трансгрессии и регрессии моря, эти породы оказываются уже не на морском дне, а на суше, иногда даже высоко в горах.

2. Установлено, что некоторые живые организмы — растения, бактерии, моллюски — избирательно поглощают некоторые химические элементы, используя их в составе своих клеток. Так, для многих морских организмов характерно повышенное содержание следующих элементов по сравнению с морской водой:

   • фтор $\text{F}$, бор $\text{B}$, калий $\text{K}$, сера $\text{S}$ — в десятки раз;
   • бром $\text{Br}$, стронций $\text{Sr}$, железо $\text{Fe}$, мышьяк $\text{As}$, серебро $\text{Ag}$ — в сотни раз;
   • кремний $\text{Si}$, фосфор $\text{P}$ — в тысячи раз;
   • медь $\text{Cu}$, иод $\text{I}$ — в десятки тысяч раз;
   • цинк $\text{Zn}$, магний $\text{Mg}$ — в сотни тысяч раз.

   При отмирании морских организмов иногда возникают месторождения фосфоритов, серы, урана, ванадия, железа (очень часто), меди и др.

   В сухопутных растениях наблюдается аналогичная картина. В золе каменных углей содержится повышенное содержание редких элементов, таких как гелий $\text{He}$, бериллий $\text{Be}$, кобальт $\text{Co}$, скандий $\text{Sc}$, молибден $\text{Mo}$, галлий $\text{Ga}$, олово $\text{Sn}$.

   Зола каменных углей и некоторых водорослей может служить сырьем для промышленного получения редких металлов и иода [2.57].

   Сырьевую основу энергетики 20 столетия, а, следовательно, и промышленного производства, транспорта, вообще, современной цивилизации составляют залежи горючих полезных ископаемых — каменного угля, торфа, горючих сланцев, нефти, горючего газа, образовавшиеся из органического вещества растений и мелких организмов.

3. Запасы каменного угля, представляющего собой одну из модификаций углерода, формировались из остатков сухопутных растений во влажных тропических лесах. Это происходило в течение 250 млн. лет, в основном 350–100 млн. лет назад на протяжении 4-х геологических периодов (карбон, пермь, триас, юра). Упавшие деревья попадали на влажную поверхность, превращались в торф, уплотнялись, закрывались осадками от действия воздуха и при опускании суши погружались на значительную глубину. Там без доступа воздуха под действием высоких температур и давлений происходило химическое преобразование и формирование угольных пластов. Часть из них в дальнейшем могла снова подняться наверх вместе с участками земной коры. Поскольку всё это происходило сравнительно недавно, в каменноугольных слоях сохранилось много отпечатков растений и животных, существовавших в ту эпоху. Чем древнее каменный уголь, тем, как правило, выше его качество; хорошие сорта антрацита на 90% состоят из углерода.
4. Нефть состоит из углеводородов с небольшой примесью серы, азота, кислорода и других элементов. Набор углеводородов в разных месторождениях бывает различным; он в основном и определяет качество нефти. По соотношению водорода и углерода в молекуле различают метановые (химическая формула $\text{C}$nH2n+2), нафтеновые ($\text{C}$nH2n) и ароматические ($\text{C}$nHn) углеводороды. От количества атомов углерода зависит физическое состояние: при 1–4 атомах $\text{C}$ углеводород находится в газообразном состоянии, при 5–16 атомах — это жидкость, при 17 и более атомах $\text{C}$ получается твёрдое вещество (парафин).¹⁶

О происхождении нефти издавна ведется дискуссия и есть несколько различных точек зрения. Преобладающей является теория органического происхождения [2.26], в настоящее время её придерживается большинство геологов-нефтяников. Согласно этой теории нефть образуется из илов с органическими остатками, скапливающихся на больших площадях на дне мелководных морей. В дальнейшем ил покрывается осадочными породами, которые защищают органическое вещество от окисления. Затем образовавшаяся смесь медленно погружается в более глубокие слои и подвергается переработке, сначала анаэробными бактериями, потом под воздействием высоких температур и давлений. Всё это продолжается достаточно долго и в итоге образуется смесь из разных углеводородов и воды, но это еще не залежи нефти. Углеводороды и вода мигрируют, поднимаются вверх, пропитывают пористые горные породы (песчаники и т. п.), постепенно разделяясь на фракции: воду (в нижних слоях), жидкую нефть (в середине) и газ (наверху). Если поднимающуюся нефть и газ на этом пути ничто не остановит, а так, возможно, и бывает в большинстве случаев, то они, достигнув поверхности, рассеются, не образуя никаких залежей. Но бывает, что сверху расположены осадочные породы типа глин, имеющие форму куполов, понижающихся к периферии, непроницаемые для нефти и даже газа — ловушки. Тогда движение жидких и газообразных углеводородов и воды прекращается, они надолго остаются на месте, образуя скопление нефти и газа.

Помимо газов, угля и нефти к полезным ископаемым осадочного происхождения относятся многие железные, марганцевые, медные и другие руды, бокситы (алюминиевая руда), различные соли, глины, каменные строительные материалы, пески, известняк, фосфорит, гипс и многие другие. По количеству и стоимости это существенно превышает залежи вулканических пород. Земную кору вместе с биосферой можно уподобить огромному химическому комбинату, непрерывно выпускающему самую разнообразную продукцию. Надо только отчётливо понимать, что создание этой продукции происходит крайне медленно.

Сформировавшиеся залежи не лежат вечно. Они могут подниматься вверх при подъёмах земной коры, участвовать в горообразовании, разрушаться выветриванием, а вместо них (и отчасти из них) образуются новые породы как эндогенного, так и экзогенного типов. В этом мировом кругообороте вещества земной коры полезные ископаемые занимают определенное, не очень большое по массе место. И всё было бы хорошо, если бы человек не вмешался в этот кругооборот, или если бы вмешался, но разумно. Этот вопрос будет подробно рассмотрен во 2-м томе.