Часть III. Магматические горные породы (петрология)

По мере снижения давления доля оливина в котектике 0l + Срх + Орх = L снижается (см. раздел 6.1), и оливин во все боль­шем количестве выделяется как избыточная по отношению к котек­тике твердая фаза. Поэтому в условиях низкого давления кристал­лизация первичных мафических и ультрамафических мантийных магм начинается с выделения оливина. Дальнейшее снижение тем­пературы в изобарических условиях приводит к кристаллизации минерального парагенезиса 0l + Р1 + Срх. Ранний оливин, который появился на ликвидусе первичной магмы, при понижении темпе­ратуры иногда исчезает вследствие перитектических реакций с рас­плавом, приводящих к образованию орто- или клинопироксена, а на больших глубинах — и граната.

Кристаллизационная дифференциация происходит в системе промежуточных камер, которые заполняются мантийными магма­ми при их подъеме к поверхности Земли. Вследствие высокой плот­ности магматических жидкостей мантийного происхождения (см. раздел 3.1) значительная их часть, вероятно, скапливается в ос­новании земной коры. Промежуточные камеры формируются и вы­ше вплоть до приповерхностной зоны, как это установлено, на­пример, под вулканами Гавайских островов.

Промежуточные камеры периодически разгружаются при пере­мещении расплава на меньшую глубину и пополняются новыми порциями магмы из более глубинных источников. В периоды «по­коя» в камерах происходит частичная кристаллизация расплава с выделением твердых фаз, плотность которых отличается от плот­ности окружающей жидкости. Оливин, пироксен и другие минера­лы, имеющие более высокую плотность по сравнению с магмати­ческой жидкостью⁴, могут погружаться, образуя скопления в нижних частях камер, а кристаллы плагиоклаза более кислые, чем Аn₇₅, будучи относительно легкими, наоборот, могут всплывать и концентрироваться вблизи кровли магматических камер.

Скорость стационарного погружения или всплывания кристал­лов в магме (V) может быть оценена с помощью уравнения Стокса:

V=2g∆pr²/9η, где g—ускорение силы тяжести; ∆р — разность плотностей твердой и жидкой фаз; r— радиус твердых частиц, имеющих сферическую форму;η — вязкость. Для кристаллов несферической формы вво­дятся поправочные коэффициенты.

⁴ Плотность оливина и пироксена равна не менее 3.2 г/см³, а плотность первич­ных мантийных магм составляет 2.8-3.0 г/см³.

468

6. Магматические породы мантийного происхождения

Если принять, что η = 100 Па • с (типичная величина для базаль­товой магмы), ∆р =3.5-2.7=0.8 г/см³ (разность плотностей оливи­на и базальтового расплава), r= 1 мм, то V= 3 см/ч (~270 м/год). Этот пример показывает, что гравитационное осаждение оливина и других минералов с повышенной плотностью может служить эф­фективным механизмом кристаллизационной дифференциации.

Гравитационному разделению кристаллов и жидкой фазы в при­родных условиях препятствует то обстоятельство, что многие маг­мы при температуре ниже ликвидуса обладают пределом текучести, и соотношения между касательными напряжениями и градиента­ми скоростей описываются не уравнением Ньютона dF/dS = = -η(dV/dX), а уравнением Бингема: dF/dS = τ₀-η)(dV/dX)_f где τ₀ — предел текучести. Пока касательные напряжения не превысят τ₀, пе­ремещения твердых частиц относительно жидкой фазы не проис­ходит. Вследствие этого в расплаве погружаются лишь достаточно крупные кристаллы, а мелкие твердые частицы остаются во взве­шенном состоянии.

Как показывают геологические наблюдения, размер кристаллов оливина и некоторых других минералов, которые выделяются из ос­новных и ультраосновных магм, обычно достаточен для их грави­тационного осаждения. Этот процесс может протекать не только в крупных магматических камерах, но и в небольших телах, напри­мер, в отдельных «подушках» базальтовых пиллоу-лав. Осаждение кристаллов приводит к обеднению расплава теми компонентами, которые содержатся в кристаллических фазах, и состав жидкости су­щественно отклоняется от первоначального.

В зависимости от состава первичной мантийной магмы и Р—Т ус-ловий ее кристаллизации возникают разные серии дифференциатов. Так, дифференциация низкощелочных пикритов и пикробазаль-тов, обусловленная отделением от первичных магм оливина, хромо­вой шпинели, клинопироксена и высококальциевого плагиоклаза, приводит к возникновению серий дифференциатов, которые завер­шаются низкомагнезиальными толеитовыми базальтами и габбро. Дифференциация умереннощелочных пикробазальтов, содержа­щих до 10 мас.% нормативного нефелина, смещает состав магмати­ческих жидкостей в сторону трахибазальта-трахита (монцонита-сиенита), а серии дифференциатов высокощелочных оливиновых меланефелинитов могут заканчиваться фонолитами и нефелино­выми сиенитами. При этом в умеренно- и высокощелочном рядах обособляются натриевые и калиевые дифференцированные серии.

469