Магма и магмоообразование

При кристаллизации расплава еще более богатого кремнеземом кристаллизация начнется с выделения кристаллов кристобалита.

Рассмотренный случай очень важен для петрологии, так как иллюстрирует перитектические реакционные соотношения между оливином и ромбическим пироксеном. Реакционные каемки ромбического пироксена вокруг оливина в магматических породах наблюдаются постоянно. Они образуются в том случае, либо когда перитектическая реакция не доходит до конца, либо в результате полного израсходования кремнезема в расплаве, либо в результате резкого изменения температуры, когда выделившиеся кристаллы оливина не успевают прореагировать с расплавом и ромбический пироксен начнет кристаллизоваться из расплава и нарастать на остатки зерен оливина. Реакционные каемки бывают не только вокруг зерен оливина. На кристаллах ромбического пироксена можно видеть каемки моноклинного пироксена, образующиеся в результате не дошедшей до конца реакции между кристаллами ромбического пироксена и расплавом. В реакционных соотношениях находятся моноклинный пироксен и роговая обманка. Реакция кристаллов моноклинного пироксена с расплавом усложняется участием в ней воды. В реакционных соотношениях находятся роговая обманка и биотит. Таким образом, устанавливается определенный прерывно-реакционный ряд цветных минералов: оливин→магнезиальный пироксен→известково-магнезиальный пироксен→амфибол→биотит.

В ходе кристаллизации магмы отдельные члены этого ряда могут выпасть вследствие резкой смены условий. Каемки амфибола вокруг оливина будут свидетельствовать о таком неравновесном состоянии системы в процессе кристаллизации. При нормальном ходе кристаллизации магмы цветные минералы, выделившиеся в первые стадии процесса, полностью исчезают, сменяясь другими. Отсюда понятно, почему в порфировых вкрапленниках эффузивных пород цветной минерал обычно другой, чем тот, который присутствует в соответствующих интрузивных породах. В андезитах во вкрапленниках находятся обычно пироксены, а диоритах – роговая обманка.

Кристаллизация с образованием инконгруэнтно плавящегося соединения имеет место и для некоторых салических минералов. Так кристаллизуется система лейцит-кремнезем, в которой образуется ортоклаз, плавящийся инконгруэнтно. Температура кристаллизации лейцита – 1686ºС, а температура преобразования его в ортоклаз – 1170ºС. Этот процесс объясняет невозможность совместного нахождения фельдшпатоидов и кварца. Подобные реакции могут происходить и в многокомпонентной системе.

4.3 Кристаллизация по закону непрерывного реакционного взаимодействия (в системах с твердыми растворами)

Большинство минералов магматических пород представляют собой твердые растворы, то есть – совершенную изоморфную смесь двух или более компонентов. Плагиоклазы – изоморфная смесь альбита и анортита, щелочные полевые шпаты – калиевого полевого шпата и альбита, оливин – форстерита и фаялита и т.д. Поэтому кристаллизация расплавов, из которых образуются твердые растворы, имеет важное значение. В таких расплавах кристаллизация идет по закону непрерывного реакционного взаимодействия. Особенности кристаллизации по этому закону следующие: 1) в процессе кристаллизации состав выделившихся твердых кристаллов непрерывно изменяется; 2) температура определяет не только количественное соотношение выделившихся кристаллов и расплава, но и состав твердой фазы; 3) между выделившимися кристаллами и расплавом в течение всего процесса кристаллизации имеет место непрерывное реакционное взаимодействие, в результате которого изменяется состав расплава и твердой фазы; 4) прибавление к легкоплавкому компоненту более тугоплавкого может вызвать повышение температуры начала кристаллизации расплава смеси; 5) температура начала кристаллизации, состав первых кристаллов твердой фазы, а также температура конца кристаллизации, состав последних порций расплава и состав образовавшихся твердых кристаллов зависит исключительно от состава смеси.

Рассмотрим процесс кристаллизации в очень важной системе альбит-анортит (рис. 4.3). Температура плавления анортита – 1550ºС. Прибавление альбита постепенно понижает температуру начала кристаллизации расплава смеси. Температура плавления альбита – 1100ºС. Небольшое прибавление аноритта сразу же повышает температуру начала кристаллизации расплава смеси. Так расплав, содержащий 20% анортита и 80% альбита, начнет кристаллизоваться при температуре 1350ºС. Верхняя кривая на рисунке характеризует температуру начала кристаллизации и состав расплава, а нижняя кривая – температуру конца кристаллизации и состав твердой фазы.

Из расплава, содержащего 40% альбита и 60% анортита при температуре 1475ºС начнут выделяться кристаллы плагиоклаза, номер которого будет 87. При понижении температуры состав расплава будет изменяться в сторону обогащения альбитом, но и состав плагиоклаза тоже будет обогащаться альбитом. При температуре 1425ºС кристаллов плагиоклаза и расплава будет поровну. Номер плагиоклаза будет 78, а расплав будет содержать 58% альбита и 42% анортита. При температуре 1350ºС в равновесии будут уже кристаллы плагиоклаза №65 в количестве 85% и 15% расплава, содержащего всего 25% анортита. Количество расплава с понижением температуры непрерывно уменьшается и при 1325ºС уменьшится до 0. Номер плагиоклаза станет 60. Состав последних порций расплава будет содержать 80% альбита и 20% анортита. Таким образом, кристаллизация данного расплава закончится при температуре 1325ºС.

При нормальном ходе кристаллизации состав расплава и состав твердых кристаллов изменяется непрерывно. Это возможно только при достаточно медленном остывании, когда реакция доходит до конца. При кристаллизации магмы в глубинных условиях плагиоклаз, выделившийся в первые стадии процесса, успевает прореагировать с расплавом. Поэтому в интрузивных породах зональный плагиоклаз почти не встречается.

При образовании эффузивных пород кристаллизация идет быстро и не непрерывно. Поэтому плагиоклаз в этих породах имеет ряд особенностей. Во-первых, в порфировых вкрапленниках, представляющих сохранившиеся кристаллы первых стадий кристаллизации, обычно находится более основной плагиоклаз, чем тот, который составляет интрузивную породу соответствующего состава. Например, в риолитах встречается лабрадор, а гранитах – олигоклаз. Во-вторых, плагиоклаз во вкрапленниках эффузивных пород почти всегда зональный. Например, при кристаллизации расплава (рис. 4.4) температура от 1475ºС до 1425ºС понизится так быстро, что кристаллы не успеют прореагировать с расплавом. Тогда на них при дальнейшем понижении температуры начнет нарастать плагиоклаз другого состава. Поскольку в процессе кристаллизации может быть многократным перерыв в реакционном взаимодействии расплава с твердой фазой, то может образоваться несколько зон, то есть возникнет зональный плагиоклаз, который постоянно наблюдается в эффузивных породах. Границы между этими зонами могут быть резкими и расплывчатыми. Резкие границы, часто со следами оплавления, указывают на полное прекращение реакционного взаимодействия. Постепенные переходы между зонами указывают, что это взаимодействие было не полным, в результате того, что диффузия вещества из расплава к кристаллу шла быстрее, чем внутри кристалла.

Аналогичным образом кристаллизация может происходить и в системах, содержащих твердые растворы других составов (оливин, ромбические пироксены и т.д.). Кристаллизация в системе KAlSi3O8-NaAlSi3O8 в «сухом» состоянии будет проходить так же.

В системе KAlSi3O8-NaAlSi3O8 с летучими компонентами кристаллизация идет при более низких температурах, что может привести к распаду твердых растворов и образованию пертитов или антипертитов.

Особенности кристаллизации по закону непрерывного реакционного взаимодействия сохраняются и в более сложных системах.

4.4 Влияние летучих компонентов на кристаллизацию магмы

При кристаллизации расплавов, состоящих из одних силикатов можно не учитывать их летучесть и исключить влияние давления на ход кристаллизации. Однако, если в состав силикатного расплава входят такие летучие компоненты, как H2O, CO2, HCl, HF, H2 и т.п. пренебрегать газовой фазой нельзя, так как она участвует в процессе кристаллизации расплава.

Магма или лава всегда содержат летучие компоненты. На это указывают следующие факты: 1) извержение лав любого состава сопровождается вывыделением пара или газа в значительном количестве (на Аляске в вулканической области «Долина десяти тысяч дымов» ежегодно выделяется 1,25 млн. тонн HCL и до 200 тыс. тонн HF); 2) главной составной частью всех поствулканических выделений является вода; 3) все магматические породы содержат в своем составе воду. В граните ее 0,69%, в нефелиновом сиените – 1,38%, в габбро – 1,1%, в риолите – 1,54%, в базальте – 1,69%. В некоторых вулканических стеклах содержание воды достигает 10%. Но горных породах находится только небольшая часть воды, находящейся в магме. При кристаллизации большая часть летучих компонентов выделяется из магмы.

Сколько воды в магме точно неизвестно, но в 1938 г. экспериментами Горансона показано, что растворимость воды в гранитном расплаве ограничена. Гранитный расплав при давлении 100 атм (соответствует глубине 2 км) может растворить лишь 3,75% воды, а при давлении 4000 атм (соответствует глубине 15 км) – 9,25%. Во всяком случае нельзя считать, что магма может содержать неограниченное количество воды и других летучих компонентов.

Присутствие летучих компонентов в кристаллизующейся магме или лаве резко отражается на ее свойствах и влияет на ход кристаллизации.

1. Присутствие летучих компонентов резко снижает температуру начала кристаллизации. Установлено, что 1% растворенной в расплаве воды понижает температуру кристаллизации примерно на 50º, то есть при содержании 8–10% воды температура должна понизиться на 400–500 º.

2. Присутствие летучих компонентов резко понижает вязкость силикатного расплава, и, следовательно, способствует росту кристаллов.

В системах с ограниченной растворимостью летучего компонента в силикатном расплаве всегда имеет место резкий переход от расплава к раствору, даже при высоких давлениях. Отсюда следует наличие резкой границы между различными стадиями кристаллизации – магматической и пневматолитовой.

Главная особенность кристаллизации в системах с летучими компонентами – существование «ретроградного кипения», то есть выделения газа при одновременной кристаллизации. Оно начинается при понижении температуры. В результате ретроградного кипения магма превращается в горную породу, пропитанную газовым раствором, который находится в равновесии с породой и поэтому может вызвать перекристаллизацию ее подобно тому, как перекристаллизовывается осадок, остающийся в насыщенном растворе. В дальнейшем, если состав газового раствора изменяется, то он не будет находиться в равновесии с породой, и тогда магматические минералы начнут растворяться и замещаться вторичными минералами.

Таким образом, присутствие в магме воды и других минерализаторов обусловливает возникновение в конце кристаллизации газового раствора. Этот раствор в случае насыщенности его компонентами горной породы вызывает перекристаллизацию породы с образование грубозернистых структур. В другом случае, когда состав раствора отличается от состава горной породы, он вызывает отложение вторичных минералов с образованием различных структур замещения.

Общей особенностью кристаллизации магмы с участием летучих компонентов будет то, что этот процесс проходит в несколько стадий: 1) собственно магматическая стадия. Когда силикат выделяется из магмы, а газовая фаза еще не появляется; 2) «ретроградное кипение», когда из магмы выделяется и силикат и газовая фаза; 3) пневматолитовая стадия, когда силикат выделяется из газа; 4) стадия конденсации, когда появляются водные растворы и 5) гидротермальная стадия, когда силикат выделяется из водного раствора.

4.5 Закономерности парагенетических ассоциаций и последовательность выделения минералов

Подавляющее большинство магматических пород состоит из нескольких минеральных видов, они называются полиминеральными (гранит, гранодиорит, сиенит). Реже встречаются биминеральные (габбро, диорит) и мономинеральные (лабрадорит, пироксенит, оливинит) породы.

В состав полиминеральных пород могут входить многие минеральные виды, но в сочетании минералов, слагающих ту или иную магматическую породу, всегда есть закономерности, обусловленные физико-химическими законами, управляющими кристаллизацией магматического расплава. Парагенетические ассоциации в магматических породах, возникших в различные геологические эпохи, очень близки, а часто тождественны друг другу. Некоторые минеральные ассоциации невозможны в магматических породах. Для щелочных пород характерны щелочные минералы (например, нефелин, щелочные полевые шпаты, эгирин, щелочной амфибол в нефелиновых сиенитах). В известково-щелочных породах цветные минералы представлены оливином, пироксенами, роговой обманкой. Для кислых пород характерным является кварц. Для средних и некоторых основных – насыщенные кремнеземом силикаты и алюмосиликаты (ортоклаз, альбит, плагиоклазы, амфиболы, пироксены. Для основных и ультраосновных пород характерны недосыщенные минералы (оливин в известково-щелочных и фельдшпатоиды – в щелочных). Для определения минералогического состава горной породы необходимо четко знать не только оптические и морфологические свойства отдельных минералов, но и те парагенетические ассоциации, в которых встречаются породообразующие минералы. Определив два-три минерала необходимо уже ясно представлять себе, что может быть еще в данной породе. Ниже перечисленные главные закономерности парагенезиса минералов в магматических породах обоснованы общими представлениями об образовании этих пород.

1. Кварц не может быть вместе с фельдшпатоидами (нефелином и лейцитом).

2. Оливин не встречается с кварцем, калиевым полевым шпатом, кислым плагиоклазом и биотитом.

3. Щелочные пироксены и амфиболы находятся обычно с нефелином и не находятся с кварцем.

4. Зеленая роговая обманка встречается в кислых интрузивных породах (с кислым плагиоклазом и биотитом). В основных интрузивных породах (с основным плагиоклазом, пироксеном и оливином) находится обычно бурая роговая обманка.

5. Зеленая роговая обманка обычно сопровождается сфеном.

6. Мусковит не встречается вместе с пироксеном и роговой обманкой.

7. В нормальных) известково-щелочных) породах роговая обманка обрастает пироксен, в щелочных – щелочной амфибол может иметь каемку из щелочного пироксена (эгирина).

8. Базальтическая роговая обманка встречается только в кайнотипных эффузивных породах.

9. Лейцит встречается только в кайнотипных эффузивных породах. В интрузивных породах он переходит в псевдолейцит (псевдоморфозы из нефелина и калиевого полевого шпата).

10. Санидин находится только в эффузивных кайнотипных породах.

4.6 Реакционные ряды минералов

На основании исследования силикатных расплавов и минерального состава магматических пород Н. Боуэн изобразил последовательность выделения минералов из магмы в виде двух реакционных рядов: прерывно-реакционного ряда фемических минералов и непрерывно-реакционного ряда салических минералов. В прерывно-реакционном ряду выделение происходит в следующем порядке: оливин→ромбический пироксен→моноклинный пироксен→амфибол→биотит. В непрерывно-реакционном ряду выделение происходит в следующем порядке: основной плагиоклаз→средний плагиоклаз→кислый плагиоклаз→калиевый полевой шпат.

Каждому члену первого ряда соответствует определенный член второго ряда. Совместная кристаллизация минералов двух реакционных рядов протекает с образованием эвтектики и в этом случае последовательность выделения зависит от состава расплава.

Порядок выделения фемических минералов в породах нормального ряда также иногда нарушается в связи с тем, что каждый фемический минерал сам является членом изоморфного ряда, в котором магнезиальные компоненты являются более тугоплавкими, чем железистые. Поэтому в магмах, богатых железом может наблюдаться отступление от обычного порядка выделения. Например, в траппах содержится высокожелезистый гиперстен, который образовался позже моноклинного пироксена. В некоторых породах можно встретить железистый оливин, образовавшийся вместе с калиевым полевым шпатом, тогда как магнезиальный оливин кристаллизуется одновременно с основными плагиоклазами.

Кристаллизация начинается с наиболее высокотемпературных минералов: с оливина в левом ряду и анортита в правом. При понижении температуры ранее выделившиеся минералы реагируют с остаточной жидкостью, образуя нижестоящие минералы. Путем закалки было установлено, что кристаллизация расплава, соответствующего энстатиту, начинается с выделения кристаллов форстерита. При медленном понижении температуры он реагирует с остаточной жидкостью, обогащенной кремнеземом, и переходит в энстатит по схеме Mg2SiO4+SiO2→Mg2Si2O6. При быстром же застывании, или фракционировании, оливин может сохраниться в породе. При реакции оливина с расплавом возникает новый минерал – пироксен. Такое качественное изменение ранее выделившихся минералов при реакции их с остаточным расплавом характерно для левого ряда, который представляет собой так называемую прерывную реакционную серию. Каждый минерал прерывной серии, может сам являться членом непрерывной реакционной серии.

Магнезиальный оливин распространен в породах, недосыщенных кремнеземом, и ассоциирует с наиболее основными плагиоклазами. Железистые разновидности могут встречаться и в более богатых кремнеземом породах в ассоциации с кислым плагиоклазом.

Правый ряд представляет собой непрерывную серию плагиоклазов, характерной особенностью которых является их совершенный изоморфизм. Кристаллизация плагиоклаза всегда начинается с выделения члена изоморфного ряда, обогащенного анортитовой составляющей. При медленном остывании выделившийся плагиоклаз вступает в реакцию с остаточным расплавом и преобразуется во все более кислые разновидности. При всех этих процессах новых минеральных видов не возникает, то есть изменения постепенны, чем и обусловлено название «непрерывная реакционная серия». В конце кристаллизации оба ряда сливаются в один, заключающий конечные продукты кристаллизации магмы – калиевый полевой шпат и кварц.

Кристаллизация минералов прерывной и непрерывной серий может идти параллельно. На это указывает наличие эвтектики между минералами обоих рядов, наблюдаемых непосредственно в породах и установленных экспериментально.

Установлено, что кристаллизация по вышеприведенной схеме осуществляется при сопутствующем выделении рудных минералов, чему способствует постоянная и довольно значительная величина парциального давления кислорода. При низком и изменяющемся давлении кислорода кристаллизуются главным образом силикатные минералы, а в остаточном расплаве накапливаются оксиды железа. Эта схема осуществляется в платформенных «псевдостратифицированных» интрузиях.

Экспериментальное изучение силикатных систем, близких по составу к горным породам, дает возможность определить причину постоянства их состава. Так, например, общая лейкократовость гранитов по сравнению с габбро связана с положением соответствующих точек эвтектики и обогащением остаточных расплавов кремнеземом. Таким образом, реакционный принцип Боуэна справедлив для многих пород. Но в нем не учитываются железистость фемических минералов, определяющая ход кристаллизации, и роль давления, изменяющая фазовые взаимоотношения в системах.

Список литературы

1.                 Белоусова О.Н., Михина В.В. Общий курс петрографии. М.: Недра, 1972. 344 с.

2.                 Вильямс Х., Тернер Ф., Гилберт Ч. Петрография. Т. 1. М.: Мир, 1985. 301 с.

3.                 Вильямс Х., Тернер Ф., Гилберт Ч. Петрография. Т. 2. М.: Мир, 1985. 320 с.

4.                 Винклер Генезис метаморфических пород. М.: Недра, 1979. 328 с.

5.                 Даминова А.М. Петрография магматических горных пород. М.: Недра, 1967. 231 с.

6.                 Дмитриев С.Д. Основы петрографии. Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та, 1986. 303 с.

7.                 Емельяненко П.Ф., Яковлева Е.Б. Петрография магматических и метаморфических пород. М.: МГУ, 1985. 248 с.

8.                 Заридзе Г.М. Петрография. М.: Недра, 1988. 389 с.

9.                 Малеев Е.Ф. Вулканиты. Справочник. М.: Недра, 1980. 240 с.

10.            Саранчина Г.М., Шинкарев Н.Ф. Петрология магматических и метаморфических пород. Л.: Недра, 1973. 392 с.

11.            Трусова И.Ф., Чернов В.И. Петрография магматических и метаморфических пород. М.: Недра, 1982. 289 с.

12.            Хьюджес Ч. Петрология изверженных пород. М.: Недра, 1988. 319 с.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6