Глава 6. Генетические классы магматических расплавов; механизмы формирования горных пород

Магмы, а соответственно и формирующиеся из них магматические породы, могут быть разделены на три крупных генетических класса: 1) мантийные магмы, источником которых служит верхняя мантия Земли; 2) коровые магмы, зарождающиеся в земной коре континентального типа; 3) гибридные магмы, образованные в результате смешения мантийных и коровых магм, или ассимиляции (усвоения) мантийными магмами твердого корового материала. Кроме этого, в последнее время выделяют импактные магмы, возникающие при падении на землю крупных метеоритов.

6.1. Магмы мантийного происхождения

Верхняя мантия служит источником разнообразных магматических пород, среди которых выделяются три главных генетических типа:

1) продукты затвердевания первичных мантийных магм, не изменивших свой состав при подъеме и кристаллизации;

2) дифференциаты мантийных магм, образующиеся в результате тех или иных преобразований первичного расплава;

3) кумулаты мантийных магм – породы, содержащие избыток той или иной кристаллической фазы.

6.1.1. Продукты затвердевания первичных мантийных магм

Первичные мантийные магмы возникают в процессе частичного плавления пород (мантийных перидотитов), залегающих ниже поверхности Мохоровичича. Считается, что верхняя мантия сложена пиролитом, теоретический состав, которого около 75% ультраосновных пород (перидотитов) и около 25 % основных (базальтов). При формировании и удалении из мантии базальтовой магмы, остается ультраосновная часть (рестит).

Рестит представлен деплетированными (истощенными) перидотитами или дунитами, главным минералом которых является магнезиальный оливин (Fo_≈90). Следовательно, формирующийся из рестита первичный мантийный расплав насыщен в отношении этого минерала, и последующая кристаллизация первичной магмы должна начинаться с выделения богатого магнием оливина. Петрологические расчеты показывают, что первичные мантийные магмы должны быть представлены высокомагнезиальными расплавами, отвечающими по составу пикритам, пикробазальтам и родственным им породам.

Особенности состава первичных магм зависят от: 1) состава мантийного вещества; 2) давления, соответствующего глубине зарождения магм; 3) степени частичного плавления – доли жидкой фазы; 4) способа отделения магматической жидкости от твердого остатка.

Состав мантийного вещества, прежде всего, контролирует содержание в магме самых легкоплавких компонентов из оставшихся от более ранних плавлений, практически полностью переходящих во вновь формируемый расплав. Такими компонентами в первую очередь являются щелочные металлы – калий и натрий. По этой причине, чем больше этих элементов содержится в мантийном источнике, тем более обогащенным этими элементами будет формируемый магматический расплав. Распределение более тугоплавких компонентов в магме зависит не столько от состава источника, сколько от глубины магмообразования (влияние давления) и его интенсивности (объем жидкой фазы).

На начальной стадии плавления примитивного мантийного перидотита, лишенного воды и CO₂, возникает магматическая жидкость, в которую переходят главным образом клинопироксен и глиноземистая твердая фаза (гранат, шпинель или плагиоклаз), а оливин и ортопироксен остаются в рестите вместе с высокохромистой шпинелью. Доля переходящего в расплав оливина увеличивается с ростом давления (т.е. глубиной магмообразования), при закономерном снижении доли ортопироксена. Поэтому по мере погружения мантийных магматических источников их состав становится все более магнезиальным и менее насыщенным кремнеземом.

Экспериментальные исследования по плавлению природных перидотитов, а также изучение модельных физико-химических систем определили следующие закономерности образования магматических пород мантийного генезиса.

1. При средних степенях частичного плавления (20-30 об.% жидкой фазы): а) на глубинах более 50-80 км (P>15-25 кбар) образуются пикритовые ультраосновные магмы; б) на глубинах 30-50 км (P=10-15 кбар) зарождаются менее магнезиальные оливиновые базальты (оливиновые толеиты); в) на глубинах 15-30 км (P=5-10 кбар) стандартные толеитовые базальты и г) на минимальной глубине менее 15 км (P<5 кбар) - кварцевые базальты (кварцевые толеиты).

2. При более интенсивном плавлении (более 30 об.%) состав жидкости на всех уровнях смещается в сторону ультраосновных пикрита и коматиита.

3. При минимальной доле жидкой фазы (менее 20 об.%) первичные магмы, возникающие на глубине более 30 км, недосыщенны кремнеземом и имеют нефелиннормативный состав, соответствующий ультраосновным и основным щелочным породам. При этом надо помнить, что щелочные расплавы возникают при частичном плавлении источника, изначально богатого щелочными металлами. Если содержания натрия и калия малы, то даже при минимальных степенях частичного плавления возникают низкощелочные первичные магмы.

Состав первичных магм также существенно зависит от способа отделения расплава от твердого кристаллического остатка (рестита): а) если жидкая фаза не удаляется из области магмообразования, то по мере роста температуры в расплав постепенно переходят все более тугоплавкие компоненты, вплоть до 100% плавления вещества; б) если возникающий расплав сразу удаляется из зоны магмообразования, то состав выплавок меняется скачкообразно от легкоплавких жидкостей до тугоплавких дунитовых магм