Часть III

ПРОЦЕССЫ ВНУТРЕННЕЙ ДИНАМИКИ

Глава 15 магматизм

Магматические горные породы, образовавшиеся из расплава — магмы, играют огромную роль в строении земной коры. Эти породы сформирова­лись разными путями. Крупные их объемы застывали на разной глубине, не доходя до поверхности, и оказывали сильное воздействие на вмещаю­щие породы высокой температурой, горячими растворами и газами. Так образовались интрузивные (лат. intrusio — проникать, внедрять) тела. Если магматические расплавы вырывались на поверхность, то происходи­ли извержения вулканов, носившие, в зависимости от состава магмы, спо­койный либо катастрофический характер. Такой тип магматизма называ­ют эффузивным (лат. effusio — излияние), что не совсем точно. Нередко извержения вулканов носят взрывной характер, при котором магма не изливается, а взрывается и на земную поверхность выпадают тонкоразд­робленные кристаллы и застывшие капельки и осколки вулканического стекла — быстро охлажденного расплава. Подобные извержения называ­ются эксплозивными (лат. explosio — взрывать). Поэтому, говоря о магма­тизме, следует различать интрузивные процессы, связанные с образовани­ем и движением магмы ниже поверхности Земли, и вулканические процессы, обусловленные выходом магмы на земную поверхность. Оба эти процесса неразрывно связаны между собой, а проявление того или другого из них зависит от глубины и способа образования магмы, ее температуры, коли­чества растворенных газов, геологического строения района, характера и скорости движения земной коры и т. д.

Как интрузивные, так и вулканические горные породы содержат крупные залежи полезных ископаемых, и, кроме того, они являются

надежными индикаторами тектонических и геодинамических условии геологического прошлого, что позволяет проводить их реконструкцию.

15.1. Понятие о магме

Магма — это расплавленное вещество, которое образуется при опре­деленных значениях давления и температуры и представляет собой флю- идно-силикатный расплав, т. е. содержит в своем составе соединения с кремнеземом (Si0₂) и летучие вещества, присутствующие в виде газа (пу­зырьков) либо растворенные в расплаве (рис. 15.1). При затвердевании магматического расплава он теряет летучие компоненты, поэтому горные породы гораздо беднее последними, нежели магма. Силикатные магма­тические расплавы состоят из кремнекислородных тетраэдров, которые полимеризованы в разной степени. Если степень полимеризации низка, то тетраэдры, как правило, изолированы; если высока, то они сливаются в цепочки, кольца и т. д.

Магма застывает при:

1. уменьшении температуры;

2. увеличении давления;

3. удалении летучих (флюидов)

МАГМА

ГОРНАЯ ПОРОДА

4

Горная порода подвергается плавлению при:

1. увеличении температуры;

2. снижении давления;

3. добавлении летучих (флюидов)

Рис. 15.1. Условия, способствующие плавлению горной породы, превращению ее в магму и охлаждению магмы с превращением ее в горную породу

Любой магматический расплав — это трехкомпонентная система, состоящая из жидкости, газа и твердых кристаллов, которая стремится к равновесному состоянию. В зависимости от изменения температуры, давления, состава газов и т. д. меняются расплав и образовавшиеся в нем ранее кристаллы минералов — одни растворяются, другие возника­ют вновь, и весь объем магмы непрерывно эволюционирует. Подобный процесс называется магматической дифференциацией. На нее оказыва­ет влияние также и взаимодействие с вмещающими породами и пото­ками глубинных флюидов.

Процесс кристаллизационной дифференциации хорошо изучен, при­чем не только теоретически, но и экспериментально. Кристаллы, обра­зующиеся в магме, обычно отличаются от нее по составу, а также по плотности, что вызывает осаждение или всплывание кристаллов. При этом состав оставшегося расплава будет изменяться. В основных сили­катных базальтовых магмах сформировавшиеся раньше всего кристал­лы оливина и пироксена, как обладающие большей плотностью, могут скапливаться в нижних горизонтах магматической камеры, состав ко­торой из однородного базальтового становится расслоенным. Нижняя часть приобретает ультраосновной состав, более высокая — базальто­вый, а самые верхние части, обогащаясь кремнеземом и щелочными металлами, приобретают кремнекислый состав, вплоть до гранитного. Так образуются расслоенные интрузивные тела. Кристаллизационная и гравитационная дифференциация является одним из важнейших про­цессов эволюции магматических расплавов.

Не меньшую роль играет и взаимодействие магмы с флюидами. Как уже говорилось, магма — это флюидно-силикатный расплав, состоя­щий из главных нелетучих петрогенных окислов: Si0₂, Ti0₂, Al₂0₃, Fe₂0₃, FeO, CaO, MgO, Na₂0, K₂0, по объему составляющих 90-97 %. Лету­чие компоненты в магме представлены СО,, Н₂, Н₂0, HF и др. Оксид углерода, водород, вода легко (раньше всего) отделяются от расплава, способствуя образованию «сухих» магм. Фтор и другие летучие ком­поненты накапливаются в расплаве, т. к. они трудно отделимы от него. «Сухие» расплавы, например известные всем доменные алюмосили- катные шлаки, кристаллизуются при высокой температуре —1500— 1600 °С. В то же время природные базальтовые расплавы имеют темпе­ратуру кристаллизации 1200-1300 °С, а более кремнекислые и еще ниже. Чем вызвана эта разница?

Самый главный фактор, вызывающий понижение температуры кри­сталлизации, — это флюидное давление. Чем оно выше, тем температура кристаллизации ниже. Особенно велико влияние воды на структурные и химические свойства силикатных расплавов. Увеличение давления Н₂0 понижает вязкость расплавов и температуру их кристаллизации.

Важное значение имеют продукт восстановления воды — водород Н₂ — и так называемое водно-водородное отношение Н₂0/Н„ в зависимости от которого варьирует соотношение Fe₂0₃/Fe0, показывающее степень окисления — восстановления расплава. Повышенное содержание лету­чих (флюидов) компонентов способствует сохранению расплавов в жидком состоянии до сравнительно низких температур, если сопостав­лять их с таковыми «сухих» расплавов.

Таким образом, флюидные компоненты, обладающие высокой ра­створимостью в расплавах, т. е. трудно отделяемые от него, понижают температуру кристаллизации расплава, а компоненты труднораство­римые, наоборот, повышают температуру кристаллизации. Если в магме содержится много летучих компонентов, которые могут легко от нее отделяться, то она приобретает способность взрываться, что проявля­ется в мощных эксплозивных извержениях вулканов. Отделение ле­тучих компонентов от магмы происходит обычно в верхних горизон­тах земной коры, где давление ниже. Обогащение одних участков расплава по сравнению с другими флюидными компонентами приво­дит к тому, что первые дольше сохраняют жидкое состояние, способ­ствуя появлению полосчатых текстур и приводя к образованию не- смешивающихся расплавов, т. е. к ликвации. Важно подчеркнуть, что потоки глубинных флюидов, проходя через расплав и взаимодействуя с ним, изменяют его состав за счет привноса одних и выноса других компонентов. Таким образом, флюидный режим, различная раствори­мость (магмофильность) флюидных компонентов в расплаве, повы­шение или понижение их давления оказывают решающее влияние на дифференциацию магматических расплавов, их вязкость и температу­ру кристаллизации.

Важным фактором эволюции и дифференциации магматических расплавов является их взаимодействие с вмещающими породами. Как правило, магма представляет собой наиболее легкоплавкий состав — эвтектику, поэтому и вынос компонентов из магматического расплава при взаимодействии с вмещающими породами происходит за счет ком­понентов, избыточных по отношению к эвтектике. В то же время магма усваивает такие компоненты окружающих пород, которые как раз и способствуют достижению ее эвтектического состава, т. е. самого лег­коплавкого. Кислые и средние магмы, содержащие больше кремнезема по сравнению с основными и обладающие более сильными кислотны­ми свойствами, энергично воздействуют на вмещающие породы. По­этому у гранитных интрузивов такие обширные зоны измененных по­род в окружающих толщах. При взаимодействии магмы с последними часто происходит их усвоение, ассимиляция, что приводит к возникновению новых пород, называемых гибридными.

г

Каким же образом магма превращается в горную породу? Кристал­лизация магмы происходит не мгновенно, а постепенно, с одновременным падением температуры. Возможно несколько вариантов (рис. 15.2). В первом из них охлаждение происходит очень быстро, расплав пере­охлаждается и превращается в вулканическое стекло — обсидиан (точки 0—> 1 —^6). Второй вариант связан с медленным охлаждением

Альбит

Анортит

Рис. 15.2. а ■— диаграмма плавкости для твердых растворов плагиоклазового ряда (по Н. Боуэну). Давление Р = 1 атм. Состав выделившихся из расплава кристаллов определяется на оси. Точки 1, 2, 3, 4, 5 и 6 обозначают разные стадии кристаллизации расплава; б — эвтектика — плавление двух минералов при минимальной температуре

и кристаллизацией расплава. На диаграмме состояния линия, соеди­няющая точки, где в расплаве появляются первые кристаллы, называ­ется ликвидусом, а линия, соединяющая точки, где полностью исчеза­ет расплав, — солидусом. Между этими линиями находится поле сосуществования расплава и кристаллов. С падением температуры от точки 0 в точке 1 появляются первые кристаллы, состав которых от­вечает точке 4. При дальнейшем охлаждении эти кристаллы вступают в реакцию с оставшимся расплавом, состав которого движется от точ­ки 1 к точке 2, а состав кристаллов — от точки 4 к точке 5. Если по каким-либо причинам, например в случае извержения, будет проис­ходить быстрое охлаждение расплава, то возникнут породы с порфировой структурой, когда в стекловатой основной массе стекла, по составу отвечающей точке 2 или какой-нибудь другой, будут нахо­диться вкрапленники плагиоклаза зонального строения. В ядре — каль­циевый плагиоклаз точки 4, а во внешней зоне — натриево-кальцие- вый плагиоклаз точки 5.

В третьем варианте при очень медленном охлаждении расплав и кристаллы успевают полностью вступить в реакцию, поэтому состав расплава дойдет до точки 3 из точки 1, а состав кристаллов — до точки 6 от точки 4. Ранние кальциевые плагиоклазы при реакции с расплавом будут замещаться все более натриевыми. В конце процесса кристаллиза­ции образуются полнокристаллические породы, сложенные незональным кальциево-натриевым плагиоклазом точки 6. Последовательность выде­ления главных породообразующих минералов из магмы определяется двумя реакционными рядами, установленными Н. Боуэном в 1928 г. (рис. 15.3).

Из рассмотренного следует, что процессы превращения магмы, даже простого состава, в горные породы достаточно сложны и на них, кроме охлаждения, сильно влияют разные факторы, например колебания дав­ления воды (Рн,о).

Таким образом, магма — это флюидно-силикатный расплав, эволю­ционирующий сложным путем, зависящий от большого количества факторов, полный учет которых в настоящее время невозможен. Сле­дует еще раз подчеркнуть важную роль флюидов в жизни магматиче­ских расплавов, концентрация, состав и магмофильность которых оп­ределяют пути их эволюции и дифференциации. Летучие компоненты препятствуют полимеризации, т. е. застыванию расплавов, понижая температуру ее кристаллизации. Легко отделяемые летучие компонен­ты приводят к вулканическим процессам, трудно отделяемые — к инт­рузивным.