4.4. Порядок макроскопического описания горных пород

1. Цвет

2. Структура

3. Текстура

4. Минеральный состав в процентах и характеристика главных минералов

5. Название породы.

Глава 5. Понятие о магме и ее физических свойствах; Представление о зарождении, внедрении, охлаждении и кристаллизации магм

Магма – природный, обычно алюмосиликатный расплав, периодически возникающий в мантии или нижних частях земной коры и изливающийся на ее поверхность или остывающий и кристаллизующийся на некоторой глубине. Согласно современным представлениям, магма – это сложная многокомпонентная система, состоящая из алюмо-кремнекислородных тетраэдров, в совокупности с простыми и комплексными ионами Mg, Fe, Ca, Na, K и другими менее распространенными элементами. В растворенном состоянии в магме присутствуют летучие компоненты, главным образом H₂O, (OH)^-, в меньшей степени CO₂ и в незначительных количествах HCl, HF, SO₂, H₂BO₃ и др.

Магмы, достигшие поверхности Земли, обычно являются продуктами частичного плавления твердого вещества верхней мантии и континентальной земной коры на глубинах от 200-300 до 10-20 км. Начальная температура расплавов составляет 500-1800 ^оС и зависит от состава магм и глубины магмообразования. Плотность жидких магм равна 2,2 – 3,0 г/см³, а их вязкость варьирует от 10^-1 до 10⁸ Па•с в зависимости от состава и температуры, что на несколько порядков выше вязкости воды. Обладая некоторым избыточным давлением, магма поднимается по трещинным каналам до некоторой глубины или изливается на поверхность, остывает, кристаллизуется (или затвердевает в виде вулканического стекла) и превращается в магматические горные породы.

5.1. Физические свойства магм

Поведение магм в процессе зарождения, подъема и затвердевания в значительной мере определяется физическими свойствами расплавов, главными из которых являются температура, плотность и вязкость.

Температура силикатных магм в момент зарождения варьирует от 1800-1600 до 600-500 ^оС в зависимости от глубины источника, состава расплава и количества флюидной фазы. Наиболее высокие начальные температуры характерны для глубинных ультраосновных коматиитовых и пикритовых магм, а самые низкие – для кислых гранитных магм, образованных на значительно меньшей глубине.

Температура, при которой магмы могут существовать в жидком состоянии, значительно понижается, если силикатный расплав содержит растворенную воду и летучие компоненты. Количество растворенных компонентов зависит от глубины нахождения магмы (т.е. от давления) и максимально достигает 5-10 мас.% для воды и 1-2 мас.% для фтора. Часто магмы содержат растворенный CO₂, количество которого значительно меньше, чем воды, но при высоких давлениях, характерных для глубинных зон Земли, оно значительно возрастает. Подъем магмы к поверхности Земли сопровождается закономерным снижением давления, что приводит к снижению растворимости жидких и летучих компонентов в магме – они переходят в газовую фазу и удаляются.

Информацию о температурах магм исследователи получают по экспериментальным данным при плавлении в разных условиях магматических горных пород, а также проводя прямые измерения во время вулканических извержений. Очень часто с целью диагностики температуры кристаллизации магм используют температуры гомогенизации первичных (магматических) включений в минералах, а также геотермометры – ассоциации минералов, переменный состав которых является функцией температуры. Состав сосуществующих минералов определяют методом рентгеноспектрального микрозондового анализа и по формулам производят расчет температур совместной кристаллизации.

Плотность жидких магм равна 2,2-3,0 г/см³, что примерно на 10% меньше плотности твердых магматических того же химического состава. Разница плотностей обусловлена расширением вещества при плавлении. Плотность минералов, которые выделяются из расплава при кристаллизации, может быть меньше или больше плотности жидкой магматической фазы. В зависимости от соотношения плотностей образующиеся кристаллы могут погружаться или всплывать в магме.

Плотность магм зависит от их состава и увеличивается от кислых расплавов (2,2-2,3 г/см3) к основным и ультраосновным (2,6-3,0 г/см³). Плотность магм обычно определяются расчетным путем.

Вязкость – физическое свойство, характеризующее подвижность жидкости при воздействии давления. Это свойство определяется трением между струями жидкости, которые перемещаются с разной скоростью. В зависимости от характера движения потока выделяют: а) ламинарный поток (струи перемещаются параллельно друг другу) и б) турбулентный поток (направления и скорость отдельных струй меняются в пространстве и времени). Магматические расплавы, не содержащие большого количества кристаллов или газовых пузырьков, близки по свойствам перемещения в пространстве обычным жидкостям (например, воде). При наличии большого количества кристаллов магма превращается в суспензию, которая имеет предел текучести и требуется значительное напряжение для ее перемещения. Вязкость (η) измеряют в Па•с или в пуазах (г/см•с), в следующем соотношении: 1 Па•с = 10 пуаз.

Вязкость силикатных магм возрастает от ультраосновных и основных расплавов к кислым. Если базальтовый расплав при 1200^оС имеет вязкость 10¹-10² Па•с, то вязкость риолитового расплава при той же температуре возрастает до 10⁵ Па•с, а при 800^оС до 10⁸ Па•с. Рост вязкости определяется увеличением степени полимеризации расплава по мере возрастания содержания SiO₂ – чем больше кремнекислоты содержится в магме, тем выше доля прочных ковалентных связей между катионами кремния и анионами кислорода и тем менее подвижен расплав.

Вязкость оказывает большое влияние на формы проявления различных магматических пород: маловязкие базальтовые магмы могут растекаться в виде лавовых потоков протяженностью в десятки и даже сотни километров, а более вязкие кислые магмы образуют очень короткие лавовые потоки или вообще не растекаются, выдавливаясь на поверхность уже в твердом состоянии. Хотя вязкость безводных кислых магм очень велика, но, тем не менее, она примерно на десять порядков ниже вязкости твердых пород и по этой причинные даже кислые магмы весьма подвижны по сравнению с твердым веществом земной коры.

Вязкость магм измеряют непосредственно как лаборатории, так и в лавовых потоках действующих вулканах. Поскольку такие измерения сопряжены со многими трудностями, вязкость обычно рассчитывают теоретически, используя информацию о составе и температуре расплава.