учебники / Короновский Н.В. «‎Общая геология‎» 3-ие издание

Часть III

ПРОЦЕССЫ ВНУТРЕННЕЙ ДИНАМИКИ

Глава 15

МАГМАТИЗМ

Магматические горные породы, образовавшиеся из расплава — магмы, играют огромную роль в строении земной коры. Эти породы сформировались разными путями. Крупные их объемы застывали на разной глубине, не доходя до поверхности, и оказывали сильное воздействие на вмещающие породы высокой температурой, горячими растворами и газами. Так образовались интрузивные (лат. intrusio — проникать, внедрять) тела. Если магматические расплавы вырывались на поверхность, то происходили извержения вулканов, носившие, в зависимости от состава магмы, спокойный либо катастрофический характер. Такой тип магматизма называют эффузивным (лат. effusio — излияние), что не совсем точно. Нередко извержения вулканов носят взрывной характер, при котором магма не изливается, а взрывается и на земную поверхность выпадают тонкораздробленные кристаллы и застывшие капельки и осколки вулканического стекла — быстро охлажденного расплава. Подобные извержения называются эксплозивными (лат. explosio — взрывать). Поэтому, говоря о магматизме, следует различать интрузивные процессы, связанные с образованием и движением магмы ниже поверхности Земли, и вулканические процессы, обусловленные выходом магмы на земную поверхность. Оба эти процесса неразрывно связаны между собой, а проявление того или другого из них зависит от глубины и способа образования магмы, ее температуры, количества растворенных газов, геологического строения района, характера и скорости движения земной коры и т. д.

Как интрузивные, так и вулканические горные породы содержат крупные залежи полезных ископаемых, и, кроме того, они являются надежными индикаторами тектонических и геодинамических условий

Любой магматический расплав — это трехкомпонентная система, состоящая из жидкости, газа и твердых кристаллов, которая стремится к равновесному состоянию. В зависимости от изменения температуры, давления, состава газов и т. д. меняются расплав и образовавшиеся в нем ранее кристаллы минералов — одни растворяются, другие возникают вновь, и весь объем магмы непрерывно эволюционирует. Подобный процесс называется магматической дифференциацией. На нее оказывает влияние также и взаимодействие с вмещающими породами и потоками глубинных флюидов.

Процесс кристаллизационной дифференциации хорошо изучен, причем не только теоретически, но и экспериментально. Кристаллы, образующиеся в магме, обычно отличаются от нее по составу, а также по плотности, что вызывает осаждение или всплывание кристаллов. При этом состав оставшегося расплава будет изменяться. В основных силикатных базальтовых магмах сформировавшиеся раньше всего кристаллы оливина и пироксена, как обладающие большей плотностью, могут скапливаться в нижних горизонтах магматической камеры, состав которой из однородного базальтового становится расслоенным. Нижняя часть приобретает ультраосновной состав, более высокая — базальтовый, а самые верхние части, обогащаясь кремнеземом и щелочными металлами, приобретают кремнекислый состав, вплоть до гранитного. Так образуются расслоенные интрузивные тела. Кристаллизационная

игравитационная дифференциация является одним из важнейших процессов эволюции магматических расплавов.

Не меньшую роль играет и взаимодействие магмы с флюидами. Как уже говорилось, магма — это флюидно-силикатный расплав, состоя-

щий из главных нелетучих петрогенных окислов: SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, CaO, MgO, Na2O, K2O, по объему составляющих 90–97 %. Летучие компоненты в магме представлены СО2, Н2, Н2О, HF и др. Оксид углерода, водород, вода легко (раньше всего) отделяются от расплава, способствуя образованию «сухих» магм. Фтор и другие летучие компоненты накапливаются в расплаве, т. к. они трудно отделимы от него. «Сухие» расплавы, например известные всем доменные алюмосиликатные шлаки, кристаллизуются при высокой температуре —1500– 1600 °С. В то же время природные базальтовые расплавы имеют температуру кристаллизации 1200–1300 °С, а более кремнекислые и еще ниже. Чем вызвана эта разница?

Самый главный фактор, вызывающий понижение температуры кристаллизации, — это флюидное давление. Чем оно выше, тем температура кристаллизации ниже. Особенно велико влияние воды на структурные

ихимические свойства силикатных расплавов. Увеличение давления Н2О понижает вязкость расплавов и температуру их кристаллизации.

Важное значение имеют продукт восстановления воды — водород Н2 — и так называемое водно-водородное отношение Н2О/Н2, в зависимости от которого варьирует соотношение Fe2O3/FeO, показывающее степень окисления — восстановления расплава. Повышенное содержание летучих (флюидов) компонентов способствует сохранению расплавов в жидком состоянии до сравнительно низких температур, если сопоставлять их с таковыми «сухих» расплавов.

Таким образом, флюидные компоненты, обладающие высокой растворимостью в расплавах, т. е. трудно отделяемые от него, понижают температуру кристаллизации расплава, а компоненты труднорастворимые, наоборот, повышают температуру кристаллизации. Если в магме содержится много летучих компонентов, которые могут легко от нее отделяться, то она приобретает способность взрываться, что проявляется в мощных эксплозивных извержениях вулканов. Отделение летучих компонентов от магмы происходит обычно в верхних горизонтах земной коры, где давление ниже. Обогащение одних участков расплава по сравнению с другими флюидными компонентами приводит к тому, что первые дольше сохраняют жидкое состояние, способствуя появлению полосчатых текстур и приводя к образованию несмешивающихся расплавов, т. е. к ликвации. Важно подчеркнуть, что потоки глубинных флюидов, проходя через расплав и взаимодействуя с ним, изменяют его состав за счет привноса одних и выноса других компонентов. Таким образом, флюидный режим, различная растворимость (магмофильность) флюидных компонентов в расплаве, повышение или понижение их давления оказывают решающее влияние на дифференциацию магматических расплавов, их вязкость и температуру кристаллизации.

Важным фактором эволюции и дифференциации магматических расплавов является их взаимодействие с вмещающими породами. Как правило, магма представляет собой наиболее легкоплавкий состав — эвтектику, поэтому и вынос компонентов из магматического расплава при взаимодействии с вмещающими породами происходит за счет компонентов, избыточных по отношению к эвтектике. В то же время магма усваивает такие компоненты окружающих пород, которые как раз и способствуют достижению ее эвтектического состава, т. е. самого легкоплавкого. Кислые и средние магмы, содержащие больше кремнезема по сравнению с основными и обладающие более сильными кислотными свойствами, энергично воздействуют на вмещающие породы. Поэтому у гранитных интрузивов такие обширные зоны измененных пород в окружающих толщах. При взаимодействии магмы с последними часто происходит их усвоение, ассимиляция, что приводит к возникновению новых пород, называемых гибридными.

и кристаллизацией расплава. На диаграмме состояния линия, соединяющая точки, где в расплаве появляются первые кристаллы, называется ликвидусом, а линия, соединяющая точки, где полностью исчезает расплав, — солидусом. Между этими линиями находится поле сосуществования расплава и кристаллов. С падением температуры от точки 0 в точке 1 появляются первые кристаллы, состав которых отвечает точке 4. При дальнейшем охлаждении эти кристаллы вступают в реакцию с оставшимся расплавом, состав которого движется от точки 1 к точке 2, а состав кристаллов — от точки 4 к точке 5. Если по каким-либо причинам, например в случае извержения, будет происходить быстрое охлаждение расплава, то возникнут породы с порфировой структурой, когда в стекловатой основной массе стекла, по составу отвечающей точке 2 или какой-нибудь другой, будут находиться вкрапленники плагиоклаза зонального строения. В ядре — кальциевый плагиоклаз точки 4, а во внешней зоне — натриево-кальцие- вый плагиоклаз точки 5.

В третьем варианте при очень медленном охлаждении расплав и кристаллы успевают полностью вступить в реакцию, поэтому состав расплава дойдет до точки 3 из точки 1, а состав кристаллов — до точки 6 от точки 4. Ранние кальциевые плагиоклазы при реакции с расплавом будут замещаться все более натриевыми. В конце процесса кристаллизации образуются полнокристаллические породы, сложенные незональным кальциево-натриевым плагиоклазом точки 6. Последовательность выделения главных породообразующих минералов из магмы определяется двумя реакционными рядами, установленными Н. Боуэном в 1928 г. (рис. 15.3).

Из рассмотренного следует, что процессы превращения магмы, даже простого состава, в горные породы достаточно сложны и на них, кроме охлаждения, сильно влияют разные факторы, например колебания давления воды (РН2О).

Таким образом, магма — это флюидно-силикатный расплав, эволюционирующий сложным путем, зависящий от большого количества факторов, полный учет которых в настоящее время невозможен. Следует еще раз подчеркнуть важную роль флюидов в жизни магматических расплавов, концентрация, состав и магмофильность которых определяют пути их эволюции и дифференциации. Летучие компоненты препятствуют полимеризации, т. е. застыванию расплавов, понижая температуру ее кристаллизации. Легко отделяемые летучие компоненты приводят к вулканическим процессам, трудно отделяемые — к интрузивным.

Рис. 15.3. Реакционный ряд Боуэна

15.2. ИНТРУЗИВНЫЙ МАГМАТИЗМ

Первичные магмы, образуясь на разных глубинах, имеют тенденцию скапливаться. Их большие массы продвигаются в верхние горизонты земной коры, где литостатическое давление меньше. При определенных геологических и в первую очередь тектонических условиях магма не достигает поверхности Земли и застывает (кристаллизуется) на различной глубине, образуя тела разной формы и размера — интрузивы (рис. 15.4). Любое интрузивное тело, будучи окруженным вмещающими породами, или рамой, взаимодействуя с ними, обладает двумя контактовыми зонами. Влияние высокотемпературной, богатой флюидами магмы на окружающие интрузивное тело породы приводит к их изменениям, выражающимся по-разному — от слабого уплотнения и дегидратации до полной перикристаллизации и замещения первичных пород. Такая зона шириной от нескольких сантиметров до десятков километров называется зоной экзоконтакта, т. е. внешним контактом (рис. 15.5). С другой стороны, сама внедряющаяся магма, особенно краевые части магматического тела, взаимодействуя с вмещающими породами и быстрее охлаждаясь, частично ассимилирует породы рамы, в результате чего изменяются состав магмы, ее структура и текстура. Такая зона измененных

магматических пород в краевой части интрузива называется зоной эндоконтакта, т. е. внутренней зоной.

Рис. 15.4. Классификация наиболее распространенных интрузивных пород. Приведены вулканические породы, аналоги интрузивных

В зависимости от глубины формирования интрузивные массивы (рис. 15.6) подразделяются на приповерхностные, или субвулканические

(последнее слово означает, что магма почти подошла к поверхности, но все-таки не вышла на нее, т. е. образовался «почти вулкан», или субвулкан), — от нескольких сотен метров до 1–1,5 км; среднеглубинные, или

гипабиссальные, — до 1–3 км и глубинные, или абиссальные, — глубже 3 км. Подобное разделение не очень строгое, но в целом достаточно отчетливое. Глубинные породы, застывавшие медленно, обладают полнокристаллической структурой, а приповерхностные, в которых падение температуры было быстрым, — порфировой, очень похожей на структуру вулканических пород.

Рис. 15.5. Характер контактов в интрузивном массиве гранитов.

1 — собственно интрузивный массив гранитов, 2 — вмещающие породы; 3 — зона экзоконтакта (изменение вмещающих пород); 4 — зона эндоконтакта (изменение гранитов); 5 — провесы кровли

Рис. 15.6. Подразделение интрузивов по глубине формирования. 1 — субвулканические (близповерхностные), до 1 км, 2 — гипабиссальные (среднеглубинные), 1–2 км, 3 — абиссальные (глубинные), глубже 2–2,5 км

По отношению к вмещающим породам интрузивы подразделяются на

конкордантные, или согласные, и дискордантные — несогласные (рис. 15.7).

Согласные интрузивы обладают разнообразной формой. Наиболее широко среди них распространены силлы, или пластовые тела, особенно в платформенных областях, где отложения залегают почти горизонтально. Базальтовые силлы широко развиты по краям обширной впадины — Тунгусской синеклизы на Сибирской платформе, где они образуют многоэтажные системы плоских линзовидных интрузивных тел, соединенных

Рис. 15.7. Формы интрузивных тел. 1 — дайки, 2 — штоки, 3 — батолит, 4 — гарполит, 5 — многоярусные силлы, 6 — лополит, 7 — лакколит,

8 — магматический диапир, 9 — факолит, 10 — бисмалит

тонкими подводящими каналами. Мощность силлов колеблется от нескольких десятков сантиметров до сотен метров. На Сибирской платформе они образуют так называемую трапповую формацию. Так как силлы более прочные, чем вмещающие породы, они выделяются в рельефе в виде «ступеней гигантской лестницы» (рис. 15.8). Силлы часто дифференцированы, и тогда в их подошве скапливаются более тяжелые минералы, образовавшиеся раньше более легких. Поэтому и состав пород силла на разных уровнях становится различным — более основным внизу и более кислым — вверху. Для того чтобы магма внедрялась в слои наподобие