5.3. Подъем магмы

Механическая неустойчивость магматических очагов приводит к тому, что расплав отделяется от твердого каркаса и перемещается вверх к земной поверхности, в сторону меньшего давления. Главной движущей силой процесса перемещения является избыточное давление расплава, образующееся вследствие объемного эффекта плавления и разности плотностей жидкой и твердой фаз. Чем выше вертикальная протяженность столба расплава, тем больше избыточное давление жидкой фазы. Таким образом, отделение магматической жидкости и ее подъем являются саморазвивающимися процессами, протекающими с ускорением - чем больше появляется магмы, тем больше избыточное давление расплава, а соответственно больше и скорость подъема. Дополнительное воздействие на развитие данного процесса оказывает также литостатическое воздействие пород земной коры на сформированный магматический очаг.

Наиболее активно магмы поднимаются вверх вдоль зон трещиноватости, широко распространенных в твердых породах и часто образующих сложные взаимосвязанные системы. Избыточное давление расплава способствует раскрытию трещин (эффект магморазрыва), что значительно ускоряет подъем магмы. Расположенные над магматическим очагом блоки твердых пород часто теряют механическую устойчивость, разрушаются и начинают погружаться вниз, освобождая место для расплава. Скорость подъема магм по трещинным каналам зависит от их сечения, вязкости расплава и величины избыточного давления жидкости. Как показывают расчеты и модельные эксперименты, магмы поднимаются к поверхности очень быстро – для ультраосновных и основных расплавов скорость подъема может достигать километров и даже десятков километров в час. Результаты геофизических наблюдений в областях активного вулканизма подтверждают теоретические выводы.

Если в процессе подъема из магмы, вследствие сброса давления, выделяются пузырьки водяного пара или углекислого газа, то скорость перемещения расплава становится еще выше. На малых глубинах газовая фаза расширяется настолько, что поток жидкой магмы превращается в струю газа с каплями силикатного расплава. Смесь газа и магматической жидкости может перемещаться с огромной скоростью, иногда при быстром отделении летучих компонентов образуя трубки взрыва.

При быстром подъеме магмы снижения ее температуры практически не происходит, а потому глубина начала подъема определяется главным образом производительностью источника, соотношением плотностей жидкой и твердой фаз, а также степенью перегрева расплава относительно температуры солидуса. Если количество возникающего расплава незначительно, то его просто не хватает для заполнения каналов, протяженностью в десятки километров. Вероятно, по этой причине вблизи поверхности Земли не обнаружено магматических пород, сформированных глубже 200-250 км.

5.4 Затвердевание магм

Поскольку скорость подъема магматического расплава высока, то охлаждение, приводящее в конечном итоге к затвердеванию магмы, происходит главным образом после того, как расплав достиг поверхности суши или морского дна, либо по той или иной причине остановился на некоторой глубине, сформировав магматическую камеру.

Основными факторами, контролирующими скорость охлаждения являются: а) скорость теплообмена с окружающей средой, обусловленная разницей (градиентом) температур; б) размеры магматических тел; в) теплофизические свойства магм и окружающих пород. Магматические тела размером первые метры охлаждаются до температуры солидуса в течение нескольких часов или суток. Это относится как к лавовым потокам, излившимся на поверхность Земли, так и к маломощным трещинным инъекциям. Магматические камеры поперечником в сотни метров или километры охлаждаются значительно медленнее – до сотен тысяч лет.

При очень быстром охлаждении (закалке) силикатные расплавы, особенно обладающие высокой вязкостью, не кристаллизуются, а превращаются в аморфные стекла. Если процесс охлаждения идет несколько медленнее, то кристаллы начинают расти непосредственно из магматического расплава. Форма, размер и последовательность выделения кристаллических (минеральных) фаз зависят от состава магмы и физических условий затвердевания.

Размер образующихся кристаллов зависит в первую очередь от соотношения скоростей возникновения зародышей кристаллических фаз (скорости нуклеации) и скорости роста отдельных кристаллов. Эти скорости зависят от температуры переохлаждения расплава относительно ликвидуса: в условиях малого переохлаждения образуются редкие и крупные кристаллы, а при большем переохлаждении множество мелких кристаллов.

Если в расплаве существовали первичные неоднородности (мельчайшие твердые частицы, газовые пузырьки и т.п.), то они служат "затравкой" для растущих кристаллов (гетерогенная нуклеация). В однородном расплаве центры кристаллизации возникают за счет случайных изменений (флуктуаций) структуры жидкости, обычно образующихся при движении магмы (гомогенная нуклеация). Чем более активно магматическая жидкость перешивается, тем больше скорость нуклеации, что также отражается на форме и размерах кристаллов.

Скорость роста кристаллов в магме контролируется двумя главными факторами: 1) скоростью диффузионного массообмена на границе твердой фазы и жидкости, при котором одни химические компоненты идут на построение кристалла, а другие оттесняются в окружающий расплав; 2) скоростью диффузии компонентов в самом расплаве, обеспечивающей привнос и вынос компонентов, принимающих участие в процессе кристаллизации. Скорость диффузии компонентов в жидкости обратно пропорциональна ее вязкости, поэтому кристаллизация наиболее вязких кислых магм затруднена, и они затвердевают в виде стекол. Маловязкие расплавы основного и ультраосновного состава кристаллизуются достаточно легко и по этой причине часто состоят из одних кристаллических фаз. Присутствие растворенной в магме воды и других летучих компонентов понижают вязкость и увеличивают диффузионную подвижность компонентов, вследствие этого плутонические кислые породы, сформированные из водонасыщенных магм имеют преимущественно крупнозернистое строение. Средняя скорость роста кристаллов составляет около 10^-3–10^-6 мм/сутки. При такой скорости для образования кристалла размером в 1 мм необходимо не более 3-3000 лет.