Глава 2. Вещественный состав магматических горных пород

Если вспомнить определение термина "горная порода", то мы установим, что горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты (за исключением пород полностью сложенных вулканическим стеклом), а сами минералы это не что иное, как закономерно упорядоченно расположенные в рамках кристаллической решетки определенные химические элементы. Отсюда следует вывод, что при определении состава горной породы, необходимо использовать два различных, но тесно связанных между собой понятия: химический и минеральный состав горной породы.

2.1. Химический состав магматических горных пород

Магматические горные породы, как и земная кора в целом, на 98% состоит из девяти химических элементов – O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, H, на долю остальных элементов приходится всего 2%.

Химический состав магматических горных пород определяют методом силикатного химического анализа – методом "мокрой" химии, либо с помощью специального рентгенофлюоресцентного анализа (РФА или XRF). Количественное содержание основных породообразующих элементов обычно представляется в виде суммы оксидов в следующем установленном традиционном порядке: SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃, Fe₂O₃, FeO, MnO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, P₂O₅ и некоторых других (см. таблицу 1).

Все химические элементы, входящие в состав горных пород, делятся на два класса: петрогенные элементы и элементы-примеси.

Петрогенные элементы – это главные составные части породообразующих минералов. Обычно к петрогенным относят те химические элементы, содержание которых в горных породах превышает 0,1 мас.%. Химические элементы, концентрация которых меньше 0,1 мас.% и которые не образуют собственных минеральных форм, называют элементами-примесями, или малыми элементами. Приведенная граница в значительной мере условна.

Содержания петрогенных химических элементов измеряют в массовых процентах (мас.%) – долях от общей массы анализируемого объекта. Содержания элементов-примесей обычно измеряют граммами на тонну (г/т = 10^-4%), реже миллиграммами на тонну (мг/т = 10^-7%). В англоязычной литературе количество г/т определяется как ppm (part per million), а мг/т как ppb (part per billion).

Химический состав в петрохимических построениях и при сравнении горных пород между собой представляют в виде перечня содержаний оксидов в массовых (реже весовых) процентах. В таблице 1 приведены содержания главных оксидов в силикатных магматических породах в той последовательности, как их обычно записывают в списке результатов аналитических исследований.

Твердые магматические горные породы близки по составу к магмам, из которых они образуются, за исключением летучих компонентов (H₂O, CO₂ и т.д.), значительная часть которых удаляется из расплава при его подъеме к поверхности Земли и последующем затвердевании (кристаллизации). При выполнении стандартных химических анализов содержание легко удаляемых летучих компонентов, часто рассматривают как "потери при прокаливании" по результатам взвешивания анализируемого объекта до и после прокаливания. Сумма всех удаленных таким образом элементов записывается как п.п.п. (или LOI в англоязычном обозначении).

Сумма всех оксидов не должна выходить за пределы 100+0,5 мас.%., что служит критерием качества выполненного анализа. В отдельных породах содержания отдельных оксидов могут оказаться менее 0,1 мас.% и они теряют петрогенное значение и обычно не определяются (например, Cr₂O₃ или NiО).

Таблица 1

Пределы содержаний основных петрогенных оксидов в литосфере (мас.%)

Элемент	Пределы содержаний	Пределы содержаний в породах (по [Петрографический кодекс, 2008])					Кларки земной коры
		1	2	3	4	5
SiO2	30-80	36,0 – 45	43 – 54	53 – 58	68 – 75	39 – 45	Si – 29,5
TiO2	до 5	0,01 – 1,2	0,1 – 4	0,3 – 1,5	0,1 – 0,6	0,3 – 2,5	Ti – 0,45
Al2O3	до 30	0,2 – 8,0	6 – 32	14 – 20	12 – 17	23 – 30	Al – 8,05
Fe2O3	до 10-15	2 – 8	0,5 – 10	1,5 – 5	0,1 – 2	1 – 6	Fe – 4,65
FeO	до 10-15	3 – 10	2 – 16	3 – 6	0,5 – 3	0,4 – 4
MnO	до 0,5	0,1 – 0,2	0,1 – 0,4	0,1 – 0,2	0,01 – 0,1	0,1	Mn – 0,1
MgO	до 50	18 – 42	3 – 20	0,8 – 6	0,1 – 1,5	0,2 – 1,5	Mg – 1,87
CaO	до 30	0,2 – 12	4 – 18	4 – 9	0,5 – 3,5	1 – 8	Ca – 2,96
Na2O	до 16	0 – 1,2	0,2 – 3,5	2 – 6,5	2,5 – 6	11 – 16	Na – 2,50
K2O	до 10	0 – 0,8	0,1 – 2	0,3 – 2	0,5 – 5	3 – 6,5	K – 2,50
P2O5	до 2	0,005	0,05 – 1	0,2 – 0,5	0,1 – 0,4	до 2	P – 0,093
Cr2O3	до 0,2						Cr – 0,0083
NiO	до 0,5						Ni – 0,0058
H2O+	до 10-15
CO2	до 1-2
F	до 1-2						F – 0,066
SO3	до 1-2

Примечание: значения химического состава для магматических пород даны для: 1) группа перидотитов; 2) группа габброидов; 3) диорит; 4) семейство гранита; 5) уртит (щелочная нефелиновая порода); кларки земной коры по А.П. Виноградову (1962).

Магматические породы всегда содержат некоторое количество воды. В анализах обычно определяют содержание гигроскопической влаги (H₂O^-), которая удаляется при нагревании аналитической навески до 120^оС, и конституционной воды (H₂O⁺), входящей в состав минералов. Эта вода удерживается в навеске вплоть до температуры дегидратации тех или иных минералов, слагающих породу. Часть конституционной воды входит в магматические минералы (обычно в амфиболы и слюды), но большая ее доля заключена в минералах, образующихся позднее (при изменении породы) – в серпентине (13-17% H₂O), хлорите (10-15%), цеолитах (10-17%) и т.д. Повышенные содержания CO₂ обычно связаны с появлением вторичного карбоната. Благодаря этому вторичные изменения магматических пород могут приводить к значительному обогащению их водой и углекислотой, а следовательно – к уменьшению содержаний других оксидов в процентном отношении. Следовательно, для того чтобы максимально приблизить состав породы к первичному (до начала вторичных изменений), необходимо пересчитать химический анализ на 100%, т.е. вычесть H₂O, CO₂, SO₃, п.п.п., а остаток привести к 100%.

Результаты силикатного анализа приводятся в виде упорядоченных таблиц и используются в различных петрохимических исследованиях, классификации пород или обоснования различных выводов. Для этих целей обычно используется более наглядная графическая форма представления информации - двойные (бинарные) или тройные диаграммы, примеры использования которых приведены ниже, в главе 4.

Зная валовый химический состав горной породы, можно, используя определенные методики, вычислить минеральный состав этой породы. Он не всегда является однозначным, поскольку один и тот же химический состав можно получить как сумму разных минералов, к тому же почти все породообразующие минералы имеют переменный химический состав, а вулканические породы часто содержат стекло. Однако с учетом того, что большинство магматических пород сложено определенными сочетаниями минералов (не более 3-4 кристаллических фаз), такие расчеты являются относительно достоверными и могут использоваться при различных видах петрографических исследований.

Рисунок 1. Основные закономерности поведения главных петрогенных оксидов в магматических породах

Одним из наиболее известных и широко применяемых методов является пересчет по системе CIPW, разработанный в 1903 году четырьмя американскими петрографами: В. Кроссом (Cross), Дж. Иддингсом (Iddings), А. Перссоном (Pirsson) и Х. Вашингтоном (Washington). Сущность метода заключается в пересчете химического состава горной породы на миналы, соответствующие идеальным химическим формулам породообразующих минералов. Содержания миналов, выраженные в массовых процентах, характеризуют нормативный (расчетный) состав горной породы. Исследование горных пород макроскопически (визуально) или с использованием поляризационного микроскопа позволяет в большинстве случаев установить реальный (модальный) состав горной породы. Для пересчета используются специальные руководства (например, Четвериков, 1956; Ефремова, Стафеев, 1985), но в настоящее время удобнее и быстрее осуществлять расчеты в специальных петрологических компьютерных программах.

Распределение элементов-примесей также подчинено определенным закономерностям – повышенные содержания отдельных групп элементов приурочены к определенным типам горных пород. Геохимическая роль редких и рассеянных элементов очень велика, так как они позволяют установить генезис и особенности формирования и эволюции горных пород, свидетельствуют о металлогенической специализации магматических пород, имеют важное поисковое значение или сами при больших скоплениях образуют рудные залежи.