2.2. Минеральный состав магматических горных пород
Минеральный состав горных пород является функцией химического состава, однако при существенных различиях в условиях кристаллизации, породы близкого химического состава могут иметь разный минеральный состав. Поэтому минеральный состав некоторых пород является индикатором условий образования.
Как отмечалось выше, горные породы представляют собой природный минеральный агрегат и сложены теми или иными сочетаниями минералов, которые называются породообразующими. По генетическому признаку породообразующие минералы делятся на первичные и вторичные. Первичные минералы кристаллизуются непосредственно из магматического расплава, вторичные либо замещают первичные, либо возникают как новообразования, являясь продуктами постмагматических – пневматолитовых и гидротермальных процессов. Например, кристаллизующийся из магматического расплава оливин является первичным минералом, а при дальнейших преобразованиях он обычно легко гидратируется (насыщается водой) и замещается минералами группы серпентина (лизардитом, хризотилом, антигоритом), которые уже являются вторичными минералами.
Первичные минералы по их роли в составе магматических пород делятся на: главные, второстепенные и акцессорные.
Главные породообразующие минералы, содержащиеся в количестве более 10%, слагают основную массу породы и определяют ее собственное петрографическое название. Например, магматическая горная порода, состоящая из равных частей кислого плагиоклаза, биотита и кварца называется плагиогранит, а состоящая из ортопироксена и плагиоклаза – норит и т.д.
Традиционно главные породообразующие минералы условно подразделяются на две группы:
1) Салические минералы – полевые шпаты – кальций-натровые (плагиоклазы: ряд альбит-анортит) и калиевые (калиевые полевые шпаты – КПШ: ортоклаз, санидин, микроклин); фельдшпатоиды (нефелин, лейцит); кварц. Они, как правило, светлоокрашенные и главными их химическими элементами являются Si, Al, Na, K и Ca.
2) Фемические минералы – оливины (ряд форстерит-фаялит); пироксены (ромбические и моноклинные: энстатит, гиперстен, диопсид, авгит, эгирин); амфиболы (роговая обманка); слюды (биотит, флогопит, мусковит1). Эти минералы отличаются темной окраской (черная или зеленая различных оттенков), что позволяет называть их цветными и характеризуются высокими содержаниями Fe и Mg.
Второстепенные минералы находятся в породе в незначительном количестве (1-10%). Их присутствие не отражается на общем названии породы, но дает уточняющее определение петрографического вида, например биотитовый плагиогранит (т.е. в данном плагиограните присутствует от 5 до 10% биотита). В качестве второстепенных могут выступать любые минералы, в том числе и из числа главных. Например, кварц в отряде кислых пород (в гранитах) является главным породообразующим минералом, а тот же самый кварц в отряде основных породах (габброидах) - второстепенный минерал.
Акцессорные минералы обычно содержатся в породах в количестве менее 1% в виде единичных мелких кристаллов. Лишь в редких случаях они образуют существенные скопления, иногда представляющие промышленный интерес – например, скопления ильменита, хромита, магнетита, титанита, апатита, циркона, монацита, ксенотима, турмалина и т.д. Акцессорные минералы, в отличие от второстепенных, в обычных породах никогда не становятся главными породообразующими минералами. Важно помнить, что даже при самых малых содержаниях породообразующих минералов их не относят к акцессорным, а характеризуют как второстепенные (например, биотит или кварц).
Вторичные минералы представлены широким набором различных минералов, преимущественно относящихся к силикатам, оксидам или карбонатам (серпентин, актинолит, хлорит, эпидот, серицит, пелит, опал, халцедон, кальцит и др.). В любом случае они образуются не в ходе магматического процесса, а позднее, вследствие воздействия внешних факторов и процессов.
Подавляющее большинство главных породообразующих минералов магматических горных пород (оливины, пироксены, слюды, амфиболы, полевые шпаты) являются группами минералов со сходными параметрами химического состава и кристаллической решетки, представляющие собой непрерывные ряды твердых растворов породообразующих элементов. Изменение химического состава в пределах ряда, определяет изменение свойств минералов: цвета, твердости, плотности, показателей преломления и ориентировки оптических осей и т.д. По этой причине, для правильной диагностики минералов необходимо знать и учитывать всю сумму их свойств.
Породообразующие минералы, слагающие горные породы, представляют собой не случайные сочетания, а закономерные парагенетические ассоциации, образующиеся совместно и одновременно при общем процессе из одного магматического расплава. Зная основные закономерности парагенетических ассоциаций, можно избежать многих грубых ошибок при диагностике минералов, обычно характерных в начале изучения петрографии. Главные породообразующие минералы изучались в курсе "Минералогия" и детально описаны во многих учебниках и методических пособиях.
Последовательность формирования основных породообразующих минеральных фаз из магматического расплава в упрощенном виде выражена в реакционных рядах Н. Боуэна. Данные экспериментальных исследований кристаллизации силикатных систем и изучение структур широко распространенных реальных горных пород позволили определить последовательность выделения породообразующих минералов в виде двух реакционных рядов (рис.2) – рядов Боуэна. Один ряд, непрерывно-реакционный салический, характерен для полевых шпатов, а другой, прерывисто-реакционный фемический, - для железо-магнезиальных силикатов. В каждом из рядов вышестоящий минерал, реагируя с жидкой магматической фазой, дает нижестоящий минерал. Порядок выделения минералов в рядах зависит в первую очередь от состава расплава. Каждый минерал данного ряда при кристаллизации совместно с минералом параллельного ряда образует эвтектику. Эвтектика – это количественное соотношение двух или нескольких компонентов, при котором они кристаллизуются одновременно, сохраняя в течение всего процесса затвердевания постоянную и самую низкую (эвтектическую) температуру.
|
Рисунок 2. Реакционные ряды минералов (по Н. Боуэну с дополнениями и упрощением). |
Представленные на рис. 2 реакционные ряды в простом виде объясняют порядок выделения важнейших породообразующих минералы из магмы и их парагенезис. Из рисунка видно, что ассоциация оливинов, пироксенов и основных плагиоклазов относится к начальной высокотемпературной стадии кристаллизации, а ассоциация кислых плагиоклазов, натриево-калиевых полевых шпатов и кварц – к конечной низкотемпературной стадии. По этой причине они вместе с оливином и пироксенами встречаться не должны, поскольку эти минералы принадлежат к разным крайним членам реакционных рядов.
При современных петрологических исследованиях для определения последовательности выделения минералов из магматических расплавов, обусловленной с одной стороны физико-химическим равновесием "кристалл-жидкость", а с другой - кинетическими факторами (относительной скоростью роста кристаллов, возможностью свободного массообмена между твердыми фазами и расплавом, устойчивостью метастабильных фаз и т.д.), используют экспериментальные и расчетные данные о фазовых соотношениях в модельных физико-химических системах. Кристаллизация магм и обратный процесс плавления кристаллических агрегатов, имитируются фазовыми равновесиями в модельных двойных, тройных и четверных системах. Фазовые равновесия изображают с помощью диаграмм состояния системы в координатах: состав (мас.%) – параметры (например, температура). Диаграммы строятся на основе экспериментальных данных или рассчитываются термодинамическими методами. Исследование подобных систем позволяет установить особенности образования конкретных горных пород, наглядно определить закономерности преобразования магматического расплава и формирующихся из него минералов.