5.2 Зарождение магм

В зависимости от соотношения между температурой (T) и давлением (P) вещество может быть представлено: а) только твердой фазой; б) смесью твердых фаз и жидкости (магматического расплава) и в) только жидкой фазой (магматическим расплавом). Границей областей этих агрегатных состояний вещества служат линии солидуса и ликвидуса.

В случае снижения температуры жидкого магматического расплава (процесс кристаллизации) ликвидус определяет появление в расплаве первых твердых фаз (кристаллов минералов, т.е. начало кристаллизации), а солидус – переход последней капли магматического расплава в твердую фазу (т.е. завершение процесса кристаллизации горной породы). При обратном процессе – нагрева горной породы, граница солидус определяет первое появление расплава среди твердых фаз (начало плавления), а ликвидус – полное исчезновение из магмы твердых фаз (рис. 13).

Рисунок 13. Ликвидус и солидус – границы областей с разным агрегатным состоянием вещества.

Магмы образуются в результате частичного плавления твердого вещества земной коры и верхней мантии. Самые глубинные магмы, достигающие поверхности Земли, образованы на глубине 150-250 км при литостатическом давлении (т.е. давлении вышележащих горных пород) 50-80 кбар. Со столь глубинными источниками связаны, например, алмазоносные кимберлиты и лампроиты. Минимальная глубина магматических очагов составляет 10-15 км при давлении 2,5-5 кбар. Здесь зарождаются некоторые граниты. Горные породы иногда испытывают частичное плавление и ближе к поверхности Земли, но количество возникающего при этом расплава обычно очень мало.

Частичное плавление, приводящее к образованию магм, вызывается тремя причинами: 1) изобарическим (т.е. без изменения давления) нагревом мантийного или корового вещества выше температуры солидуса (рис. 14а); б) адиабатическим (т.е. с изменением давления при почти постоянной температуре) подъемом нагретого твердого материала в область меньшего давления (рис.14б); в) дегидратацией гидроксилсодержащих минералов с выделением воды, снижающей температуру солидуса (рис.14в).

Нагрев вещества участков земной коры или верхней мантии обусловлен тепловым потоком воздымающихся от центральных частей Земли разогретых мантийных струй - плюмов. Помимо этого, свой вклад в локальное повышение температуры могут оказывать радиоактивный распад химических элементов (главным образом U, Th, K), трение при пластических деформациях глубинного вещества, а также внедряющиеся в земную кору высокотемпературные магматические массы основного или ультраосновного состава. Все эти процессы приводят к локальному изобарическому нагреву и плавлению магматического вещества (см. рис.14а).

Экспериментально установлено, что температура плавления силикатных пород, не содержащих воду, снижается с уменьшением давления. Если нагретое глубинное вещество обладает пластичностью, достаточной для его относительно быстрого перемещения к земной поверхности вследствие глобальных или локальных тектонических процессов, то при этом процессе быстро достигается температура солидуса и происходит выделение жидкой фазы (рис.14б). Положительный наклон линии солидуса лишенных воды силикатных пород, является следствием зависимости между объемами твердой и жидкой фаз.

Если в породе присутствуют гидроксилсодержащие минералы (слюды, амфиболы и т.п.), то при повышении температуры до определенной границы устойчивости (температуры дегидратации) из них происходит выделение воды, способствующее появлению силикатного расплава при температуре ниже безводного солидуса. Образованный при избытке воды солидус приобретает отрицательный наклон (рис.14в), поскольку удельный объем расплава насыщенного водой, меньше суммарного удельного объема твердой фазы и удельного объема водяного пара, который может быть растворен в магме. Таким образом, в данному случае, даже незначительное повышение температуры приводит к формированию магматического расплава.

Рисунок 14. Примеры приводящих к образованию жидкой магматической фазы причин: а) изобарический нагрев; б) адиабатическое снятие давления; в) изменение PT линии солидуса вследствие освобождения воды из гидроксилсодержащих минералов (пунктирная линия). Пояснения в тексте.

Количество жидкой фазы, возникающей при частичном плавлении, зависит от степени перегрева относительно температуры солидуса, а также от концентрации воды в магматическом источнике. Чем выше температура, тем более активным становится частичное плавление, а чем выше концентрация воды в источнике, тем больший объем расплава может возникнуть при одной и той же температуре.

Максимальная доля жидкой фазы сформированной в зонах магмообразования не превышает 40+10 об.%. При достижении такого количества жидкости смесь расплава и оставшихся высокотемпературных кристаллов начинает перемещаться в виде магматической суспензии. Подъем суспензии происходит быстрее, чем она успевает расплавиться дальше. Как показывают расчеты и лабораторные опыты, количество жидкой фазы в магматических очагах во многих случаях не превышает 20-30 об.%, а чаще составляет не более 1-10 об.%.

При столь малых степенях частичного плавления магматические очаги можно рассматривать как пористые среды, состоящие из твердого кристаллического каркаса и заполненного возникшим расплавом межзернового порового пространства. Поверхностные силы на границах кристалл-расплав намного слабее, чем связь между твердыми зернами, что приводит к формированию соединяющих поры взаимосвязанных систем каналов уже при малом количестве жидкости (менее 1 об.%). Поскольку расплав всегда легче, чем твердый каркас, а его вязкость на 10-20 порядков меньше, то магматические очаги очень быстро становятся механически неустойчивыми. При пластической деформации твердого каркаса расплав выжимается из связанной каналами системы пор и образует относительно крупные скопления. Вероятно, процесс сводится к уплотнению зоны частичного плавления под действием силы тяжести (примерно те же процессы происходят в содержащих воду илах). При этом расплав скапливается в верхней части магматического очага, а твердые остатки (рестит) – в его нижней части. Согласно расчетам, скорость фильтрации магмы в межзерновом пространстве зон частичного плавления измеряется сантиметрами-первыми метрами в год.