Эволюция и дифференциация магм. Причины многообразия магматических пород и полезные ископаемые, связанные с ними
О свойствах и составе магмы судят по лаве и тем магматическим горным породам, которые образовались в результате остывания магмы. Эти породы по составу очень разнообразны. Крайними членами ряда магматической породы являются с одной стороны – кислые породы, с другой – основные и ультраосновные. Между этими крайними членами магматических пород существует большое количество переходных пород. Возникает вопрос, была ли родоначальная магма столь же разнообразной, как и кристаллизовавшиеся из нее породы. Некоторые ученые считают, что в глубине Земли существуют разнообразные магмы, отвечающие по своему составу горным породам.
Рис. . Пластовая контракционная отдельность в Столбовском штоке кварцевых сиенитов. Окрестности г. Красноярска (фото С.А. Ананьев)
Ряд ученых (Р.О. Дэли, Н.Л. Боуэн, А.Н. Заварицкий) признают существование одной родоначальной силикатной магмы – основной (базальтовой), по мнению других (Ф.Ю. Левинсон-Лессинг) – две магмы: кислая и основная, по мнению третьих (А.Холмс) существует три магмы: ультраосновная (перидотитовая), основная (базальтовая) и кислая (гранитная). Каждая группа приводит свои доказательства. Последний вариант подтверждается и данными геофизики. Причину же разнообразия магматических пород следует искать в развитии самой магмы, изменении ее состава. Развитие магмы проявляется в процессах дифференциации и ассимиляции.
Дифференциация магмы – это процесс распада однородной магмы на фракции разного состава, который в конечном итоге приводит к образованию разных пород.
Дифференциация может происходить как на глубине (в магматическом очаге) до внедрения магмы в верхние части земной коры, так и в магматической камере, где магма застывает, превращаясь в интрузивное тело.
Глубинная дифференциация является главным процессом, который приводит к возникновению разнообразных пород из родоначальной магмы. Выделяют два типа дифференциации:
1. Собственно магматическую, т.е. дифференциация вещества в жидком состоянии;
2. Кристаллизационную дифференциацию, т.е. дифференциацию, связанную с образованием кристаллов.
Магматическая дифференциация происходит раньше кристаллизационной. Магматическая дифференциация, т.е. расщепление магмы еще в расплаве, может происходить различными путями:
- расслоение магмы по удельному весу путем отделения тяжелых молекул от более легких;
- разделение в результате ликвации, т.е. расслоения на две несмешивающихся жидкости. Этот процесс подобен разделению нагретой смеси воды и жира при понижении температуры. Аналогичным образом при понижении температуры до 1500оС происходит разделение первичной магмы на сульфидную и силикатную. В результате такого разделения среди основных силикатных пород появляются капли сульфидных минералов, которые концентрируясь, могут образовывать месторождения Ni и Cu. Примером ликвационных месторождений является медно-никелевое Норильское месторождение.
Кристаллизационная дифференциация появляется в тот момент, когда в процессе остывания, вещество переходит в состояние кристаллизации. Остывание идет за счет отдачи тепла вышерасположенным породам. С падением температуры возникают кристаллы. В первую очередь выпадают из расплава самые тугоплавкие минералы. Кристаллизация начинается у края магматического очага, где температура падает быстрее всего. Кристалл при определенной температуре может сосуществовать с жидкостью (точка ликвидуса). При дальнейшем уменьшении температуры наступает кристаллизация расплава (точка солидуса - переход среды от жидкого расплава к твердому). Между ликвидусом и солидусом поле (область) существования кристаллов и расплава. Образовавшиеся кристаллы погружаются в глубину. Более тяжелые железомагнезиальные соединения концентрируются в более глубоких частях магматической камеры, где основность пород возрастает. Оставшаяся часть магмы обогащается соединениями Ca, Al, щелочами, SiO2 и летучими постепенно становится кислой. Все это является причиной того, что магматических горных пород гораздо больше, чем исходных магм. Примером месторождений, образовавшихся в результате кристаллизационной дифференциации являются месторождения платины и хромитов на Урале.
На изменение состава магмы влияют процессы ее взаимодействия с окружающими породами. Этот процесс носит название ассимиляции или контаминации. Вмещающие породы могут расплавляться и изменять состав магмы. Естественно, что при этом меняется ее химический состав. Так, например, при внедрении гранитной магмы с основные породы магма будет обогащаться Ca, Mg, Fe. Поэтому нужно различать первичные и вторичные магмы.
Большую роль играет взаимодействие магмы с флюидами – СО2, Н2, Н2О, НFи др. Чем выше флюидное давление в магме, тем ниже ее температура кристаллизации. При этом обычно флюидопоток направлен из горячих областей к более охлажденным, т.е. снизу вверх.
Эволюцию магмы и причины разнообразия горных пород хорошо объясняет и принцип Боуэна. Боуэн разделил основные породообразующие минералы на две группы - светлоокрашенные (салические) и темноокрашенные (фемические) и расположил их в порядке последовательности выделения из магматического расплава: оливин – пироксены – амфиболы – биотит - мусковит; анортит – плагиоклазы – олигоклаз – альбит - кпш – кварц. Эта последовательность в двух группах и соответствие в ней определенных минералов одного ряда с определенными минералами другого ряда позволяет определить возможные парагенезисы минералов – совместное образование минералов. Например, совместное нахождение оливинов и пироксенов с анортитом. Таким образом, сначала идет образование ультраосновных и основных ассоциаций минералов. Затем основных, средних. На последних стадиях формируются остаточные расплавы, обогащение кремнекислотой и летучими - образуются кислые породы и пегматиты.
Процесс кристаллизации регулируется не только температурой, но и законом эвтики. Эвтика - это расплав из двух или нескольких компонентов, кристаллизующийся при самых низких температурах из всех возможных для различных смесей этих веществ при одновременном выделении всех компонентов. Например, смесь свинца (Т кристаллизации 326оС) и серебра (Т -54оС) кристаллизуется одновременно при соотношении 96% свинца и 4 % серебра при температуре 260оС. Минерал диопсид (Т - 1391оС), форстерит (Т -1860оС). Эвтика - диопсид 88% и форстерит 12 %, температура плавления и, следовательно, кристаллизации 1387оС градусов. Всякий расплав, не соответствующий эвтектическим соотношениям, начинает кристаллизоваться с того элемента, который находиться в расплаве в избытке по сравнению с эвтикой.
А.Е. Ферсман писал так. В магме – расплаве огромного количества веществ - идет своя внутренняя работа, и отдельные химические элементы соединяются в готовые минералы. Но вот температура падает или давление увеличивается или летучие (флюиды) удаляются и магма начинает делиться и застывать. Одни соединения переходят раньше в твердое состояние, плавают или падают на дно. К этим твердым частицам притягиваются все новые частицы, и твердое вещество отделяется от жидкой магмы. Магма переходит в смесь кристалликов - кристаллическую породу. Огромное количество летучих соединений и растворов пропитывает эту породу, выделяется могучими струями, пронизывает его покров, поднимается к земной поверхности, многие летучие осаждаются на глубине. По трещинам и жилам текут горячие растворы, постепенно охлаждаясь и выделяя минерал за минералом.