книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

МАГМАТИЗМ

Впредыдущей главе, как и при рассмотрении происхождения радиогенного тепла и его влияния на судьбы нашей планеты, мы уже касались проблемы генезиса магмы.

Внастоящий момент мы располагаем дополнительными сведе­ ниями по этому вопросу. Но что же собой представляет магма?

Магма ■— это сложная система с резко меняющимся содержа­ нием воды, летучих и прочих компонентов, активно влияющих на температуру ее застывания, и находящаяся в стадии расплавления. Она имеет силикатный состав, температуру, варьирующую в преде­ лах 500—1200° С, и подвижность, свойственную жидкому веществу.

Как писали Ф. Тернер и Ж- Ферхуген, «термин «магма» вклю­ чает все природные подвижные тела, жидкая фаза которых пред­

По данным P. Дели, 95% всех интрузивных пород представлено гранитами и гранодиоритами, а 98% эффузивных пород — базаль­ тами и пироксеновыми андезитами (рис. 76). На основе этого была

Ю. Шейнман). Словом, вопрос о генезисе магматических распла­ вов остается нерешенным.

Рассмотрим несколько путей возникновения расплавов в зем­ ной коре.

§ 1. ГРАНИТИЗАЦИЯ

При рассмотрении явлений метаморфизма мы обращали внима­ ние на то, что диаграмма трех компонентов кварц — К-шпат — альбит указывает на весьма низкие температуры (около 700° С) кристаллизации такой смеси с отношением компонентов 1 : 1 : 1 и что идентичная смесь будет обладать аналогичной температурой расплавления. В зависимости от температуры в дальнейшем воз­ никает либо мигматит, либо гранит (при этом такие компоненты как Mg — Fe-силикаты могут не расплавляться).

Короче говоря, гранитизация — это процесс, связанный с час­ тичным расплавлением, не приводящий к существенному переме­ щению исходного материала.

В природных условиях прямыми доказательствами происшед­ шей гранитизации являются обилие ксенолитов, неясные контакты, одна и та же ориентировка этих ксенолитов, конкордантность с ок­ ружающими складчатыми породами, что не увязывается с пред­ ставлениями о ювенильности гранитов.

Так, например, в центральных районах Украины граниты содер­ жали большое количество реликтов гнейсов, отличавшихся одной и той же ориентировкой, подчеркивавшей, что расплавление субст­ рата гранитов происходило частично, без перемещения или нару­ шения залегания вмещающих толщ.

При гранитизации, как недавно было показано Р. П. Котиной и А. А. Ярошевским, использовавшими гипотезу об энергетическом эффекте в протекании химических реакций, сопровождающихся изменением координационного числа алюминия (развита В. И. Ле­ бедевым и Н. В. Беловым), происходит саморазогревание пород в результате экзотермических реакций, связанных с переходом алю­ миния из шестерной координации в четверную при активности щелочей:

Al2Si06 + 5Si02 + 2К+ + 20Н - = 2KAlSi3Og + Н20 +78,5 к к а л .

При полном протекании подобных реакций происходит выделе­ ние тепла до 50 кал/г породы, что приводит к созданию локального максимума повышения температур на фронте перемещения вещест­ ва до 150° С.

Таким образом, гранитизация является мощным фактором, сти­ мулирующим появление гранитных расплавов на глубинных этажах

впределах континентов с последующим их вторжением в виде интру­ зий в верхние этажи. Однако она возможна только при наличии

всоставе самой вмещающей толщи пород, приближающихся по свое­ му составу к граниту.

При гранитизации происходит характерное изменение состава первоначальных пород. По данным Л. В. Мидовского, исследовав­ шего толщи гнейсов и эффузивов Ладожской формации, при гра­ нитизации происходило резкое увеличение содержания лития, нат­ рия, калия, рубидия и заметно уменьшалось количество кальция, магния, железа. Этот же эффект нашел выражение в распределе­ нии малых компонентов: например, медь, цинк и кобальт умень­ шились на полпорядка, в то время как цирконий, свинец, олово оказались привнесенными.

§ 2. ГРАВИТАЦИОННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ

Сторонники гипотезы единой магмы приводили в качестве дока­ зательства разнообразия изверженных пород процессы гравитацион­ ного разделения магм.

Действительно, при достаточно больших размерах магматиче­ ской камеры явления разделения расплавов должны были бы ска­ заться на их составе. Например, если вязкость магм не чрезмерна, то ранее выделившиеся минералы, такие, как магнетит, пироксены, оливины, будут оседать на дно магматического резервуара, заметно изменяя состав остаточной магмы. Поскольку плотность ее умень­ шается, она будет подниматься к холодным зонам кверху, выделяя салические минералы.

Высказываясь о происхождении щелочных пород, Р. Дели пред­ положил, что при внедрении гранитного расплава в карбонатные породы происходит активное поглощение кальция, приводящее к образованию анортитовой молекулы. Последняя постепенно по­ гружается на дно магматической камеры, оставляя расплав в значи­ тельной степени обедненным алюминием и кремнекислотой при зна­ чительном его обогащении щелочами. Благодаря большому избытку летучих (углекислоты, освободившейся при ассимиляции карбона­ та) остаточная щелочная магма активно проникает в следую­ щий ярус, давая начало интрузиям резко выраженного щелочного типа.

Идеи о роли гравитации в дифференциации магм далеко не всегда связывали это влияние поля тяготения Земли с началом кристал­ лизации магм.

А. Кадик пришел к выводу, что гравитация оказывала влияние на разделение магматических расплавов задолго до начала их кри­ сталлизации. При этом он сослался на высказывания В. Гиб­ бса, впервые указавшего на вероятность разделения рас­ плавов:

I «Если некоторая жидкая масса находится в равновесии под влиянием тяготения и имеет во всех своих частях одни и те же неза­ висимо изменяющиеся компоненты, то внутренние потенциалы для каждого из этих компонентов на данном уровне постоянны и равномерно уменьшаются с возрастанием высоты, причем разность

значения внутренних потенциалов любого компонента для двух раз­ личных условий равна работе, произведенной силой тяжести, когда единица вещества попадает с более высокого уровня на более низкий».

Более просто выразил ту же мысль А. Кддик, сказавший, что в случае растворов стремление системы прийти в равновесие с гра­ витационным полем должно приводить к дифференциации их го­ могенного вещества.

Расчеты равновесных изменений химических составов распла­ вов, например, в системе диопсид — анортит — альбит указывают на вероятность изменения состава с глубиной. При этом чем глуб­ же, тем меньше в подобном расплаве будет Si02 и Na30 и тем больше MgO и СаО.

Дифференциация сухих силикатных расплавов, находящихся при температурах около 1500° С, на базальтовый и андезитовый со­ ставы должна была происходить при наличии резервуара общей протяженностью на глубину порядка 60 км. Если же предположить дифференциацию такого расплава на базальтовую и риолитовую магмы, то глубина подобной магматической колонны должна была бы возрасти до 100 км. Иначе говоря, получаемые реальные масш­ табы в результате вычислений глубин подобных магматических камер вполне соответствуют нашим знаниям о мощности земной коры.

Следует добавить, что всякое увеличение концентрации летучих будет способствовать сокращению этих мощностей.

§ 3. АССИМИЛЯЦИЯ

Под ассимиляцией понимают процесс усвоения магмой вмещаю­ щих пород. Это поглощение магмой контактирующих с ней пород будет протекать тем интенсивнее, чем больше объем магмы, чем основательней она прогрета и чем большее количество сверх­ плавких компонентов она содержит. Очевидно, в общем случае ас­ симиляция на глубине будет идти интенсивнее, чем в близповерхностных условиях.

Существенным возражением против распространенности явле­ ний ассимиляции является проблема тепла, соотношение его прито­ ка и поглощения при процессах ассимиляции. Тем не менее укоре­ нилось мнение, что ассимиляция является одной из главных причин разнообразия магматических пород. Например, большинство диори­ тов рассматривается как контаминированные породы, как своеоб­ разные гибриды, возникшие при значительном участии вмещаю­ щих толщ.

Результаты наблюдений показывают непосредственную роль ряда формаций в становлении интрузий явно гибридного типа. В Криворожье, например, отмечается развитие плагиогранитов, активно замещающих амфиболиты низов криворожской толщи. При этом содержание циркона, вообще сравнительно ничтожное

в плагиогранитах, заметно уменьшается в них при приближении к ксенолитам амфиболитов.

Однако истинные размеры ассимиляции до сих пор неизвестны. В конце концов очень трудно провести границу между ассимиляцией, сказывавшейся на составе единой ювенильной магмы, и простым рас­ плавлением толщи пород, вызвавшим появление магмы, отклоня­ ющейся по своему составу от «ювенильной».

§ 4. ЛИКВАЦИЯ

Д. П. Григорьев показал в 1937 г., что в охлаждающемся сили­ катном расплаве при 1250° С могут возникнуть две несмешивающиеся жидкости. Например, если расплав содержал SiO2, А120 3, MgO, К 2С03, CaF2, то он будет разделен на тяжелую жидкость, содержащую MgO, CaO, А120 3, и легкую, состоящую из Si02, К20, KF.

Это открытие было использовано при истолковании генезиса ряда магматических месторождений. Известное Норильское место­ рождение, по мнению ряда исследователей, принадлежало к место­ рождениям, возникшим путем ликвации сульфидной магмы, отделив­ шейся от силикатного расплава и сформировавшей залежь пентландитовых руд.

При изучении изотопного состава серы этого месторождения Г. Д. Годлевский и Л. Н. Гриненко обнаружили, что вопреки ожи­ даниям сера имела заметно утяжеленный состав, приближающийся

ксере сульфатов морского происхождения.

Вдальнейшем в районе месторождения были открыты пласты ангидрита, залегавшие среди вмещающих пород месторождения, частично ассимилированных норитами, среди которых были най­ дены залежи пентландитовых руд. Изотопный состав серы ангид­ ритов и гипса, естественно, оказался также тяжелым, сходным с се­ рой руд.

Это весьма интересное наблюдение показывает, что если лик­ вация имела место, то началась она не из-за снижения температуры расплава, а в результате появления в расплаве серы, которая уда­ лила из магмы никель, железо и другие металлы и сформировала залежь.

Явления ликвации сравнительно редки и естественно не могут объяснить разнообразия изверженных пород.

§ 5. КРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ

Этот тип дифференциации изучен особенно подробно. Нами на примере отдельных систем рассматривалась последовательность выпадения различных минералов из расплава при его охлаждении.

Н. Боуэн, изучив подобные системы, предложил ряд кристалли­ зации, в результате которой остаточный расплав должен был зна­

чительно обогатиться тяжелыми металлами и летучими компонен­ тами:

По существу о той нее последовательности кристаллизации сви­ детельствует четырехкомпонентная диаграмма, приведенная на рис. 46. На этой диаграмме изображен расплав, состоящий из че­ тырех компонентов — альбита, анортита, диопсида и гиперстена. Между альбитом и анортитом, образующими между собой идеаль­ ную смесь, с одной стороны, и геденбергитом и диопсидом, с другой, существует котектика, изображенная кривой поверхностью АВХЕ. Это означает, что если подобный расплав, нагретый до 1500° С, начинает постепенно охлаждаться, то в зависимости от того, в какой части диаграммы будет исходная точка его первоначального со­ става — справа или слева от этой поверхности, первыми из не­ го выпадут либо пироксены, либо плагиоклазы. После этого, когда состав оставшегося расплава переместится на эту кривую котектическую поверхность, начнется одновременная кристаллизация плагиоклаза и пироксенов.

Следовательно, экспериментально установленная Н. Боуэном последовательность кристаллизации (две ее параллельные ветви) находит свое отражение и в фазовых диаграммах.

Весьма интересную картину кристаллохимии основного процес­ са кристаллизации магмы нарисовал известный советский кристаллохимик Н. В. Белов. Если первичный состав магмы принять в сле­ дующем виде: 50% Si, 9% Al, 2,5—3,5% Mg, Fe, Ca, Na, К и 1,5% H 20, то при первом снижении температур и приближении расплава к началу минералообразования возникнут тетраэдры алюминия и кремния, в которых алюминий будет в четверной координации.

Затем выделятся (при температуре плавления 2500° С) СаО и MgO; кальций и магний будут располагаться в октаэдрических пустотах кислорода.

При дальнейшем падении температуры и появлении катионов и анионов возникнут две группировки: БЮ4-тетраэдров и Mg-октаэд­ ров в виде шпинелевидной модификации оливина Mg2Si04 и двух типов образований кальция и Si20 7: в виде цепочки волластонитового типа [Si03] либо каркаса [(Si, Al) 0 21оо (анортита).

Характерно, что в образовании этих цепочек значительную роль играет фтор, заменяющий при достройке решетки кислород с целью снижения валентности. Быстро освобождаясь, он также лег­ ко связывается в молекулу апатита, рассеивающегося в этих мине­ ралах, — Ca2F (Р04),

Благодаря сходству ионных радиусов кальций увлекает за собой натрий, калий, стронций, свинец, молибден, вольфрам.

Бериллий замещает алюминий (2А1 Si + Be) либо входит в состав плагиоклазов, замещая кремнезем. Компенсация зарядов натрия происходит за счет замены натрия кальцием.

В Mg-силикатах магний может быть подменен железом, титаном,

Если лейкократовые минералы в дальнейшем не претерпевают изменений, то меланократовые из-за превращения алюминия с чет­ верной координацией в алюминий с шестерной координацией перекристаллизовываются с обособлением шпинели Mg А120 4 и чистого оливина, подверженного в дальнейшем серпентинизации. В резуль­ тате происходит перестройка в цепочки и ленты с появлением био­ тита, представляющего собой «свалку» всяких катионов. При избыт­ ке эти катионы накапливаются в виде самостоятельных минералов.

Кристаллизационная дифференциация обычно мало меняет со­ став изверженных пород. Наблюдающиеся серии магматических по­ род, связанных общим происхождением и отличающихся обогаще­ нием каким-либо компонентом, указывающим на генетические их связи, почти не различаются по составу. Это значит, что речь может идти о комплексах дифференцированных интрузий от диоритов до гранитов и только. Это дало основание известному норвежскому петрографу Т. Барту выступить с резкой критикой Н. Боуэна и его тезиса о том, что все разнообразие изверженных пород объясняется фракционной кристаллизацией базальтовой магмы.

Т. Барт в подтверждение своей мысли назвал породы Гавайских островов, где непрерывно происходит излияние базальтовых магм и их дифференциация до трахитоидных образований. «И что же! — восклицает Барт. — Дифференциация такого рода играет ничтож­ ную роль». Приводя расчеты с балансом натрия в осадочных поро­ дах и океане, Барт приходит к выводу, что любая кристаллическая порода несколько раз прошла через осадочный цикл. Осадочная дифференциация дает гораздо более контрастные результаты, а «пла­ вильный котел» ведет скорее к гомогенизации вещества, чем к его дифференциации. «Таким образом, я закончу, — говорит Барт, — высказыванием, заключающим, как я полагаю, истину, которая консервативными геологами будет названа парадоксом: возникнове­ ние изверженных пород обусловлено осадочными процессами».

Принимая во внимание, что гранитные интрузии, как правило, связаны с континентами, что в подавляющем большинстве случаев мы не находим среди них постепенных переходов к основным и ультраосновным породам, а с другой стороны, излияния эффузивов преимущественно основного состава происходят совершенно неза­

висимо от процесса гранитообразования как в континентах, так и на океанах, концепция первичного происхождения двух магм, за­ рождающихся на двух разных уровнях: в земной коре и в мантии, как будто остается более убедительной.

Но что же представляла собой идея о трех магмах?

Ранее мы рассмотрели вопрос о том, что сравнительно редкие и маломасштабные интрузии щелочного состава, недосыщенные крем­ некислотой (нефелиновые сиениты и др.), тесно связаны с контак­

Глубина зарождения магмы в этом случае достигала, по данным геофизических исследований, 40—50 км, т. е. речь шла о выплавле­ нии магм из материала верхней мантии под давлением 30 кбар — давлении, при котором полевые шпаты неустойчивы и, согласно ре­ акции

NaAlSi30 8 + CaAl2Si20 8 -f-CaMgSi2Oe +Mg2Si04 =

= NaAlSi30g +CaMgSi2Oe +CaMg2Al2Si30 12,

должны исчезнуть. Следовательно, говорить о гранитной магме на глубине бессмысленно.

По данным Г. С. Йодера и К. Э. Таттла, выплавление на столь больших глубинах будет приводить к тем большему обогащению выплавки натрием и обеднению ее Si02, чем выше было давление в момент этого события (рис. 77). Именно этим объясняется появ­ ление в таких случаях особой щелочно-нефелиновой магмы, пред­ ставляющей собой третий тип магмы Ю. М. Шейнмана, на который мы ссылались в начале этой главы. То, что этот процесс имеет место, подтверждается существованием щелочных базальтов, явив­ шихся результатом глубинного выплавления материала из зоны

волновода с глубин 60—100 км. В базальтах очень часто встре­ чаются оливин-ортопироксеновые бомбы, являющиеся реликтами того материала, из которого они были выплавлены.

Л. В. Дмитриев обратил внимание на то, что океанические гипербазиты отличаются значительно более высокой кремнекислотнсстью, чем альпинотипные интрузии континентов. На основании этого он сделал вывод, что океанические гипербазиты и базальты выплавлялись при гораздо более умеренных давлениях и темпера­ турах, чем континентальные (10 кбар, 1300° С).

§6. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАЛОРАСПРОСТРАНЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ВГРАНИТЕ

Особенности кристаллизационной дифференциации заметно ска­ зываются также на распределении малораспространенных элемен­ тов, в большинстве случаев не образующих собственных минералов, а следующих за минералами-хозяевами по законам изоморфизма.

Ю. А. Билибин разделил граниты на два типа: монацитоносные и ортитоносные. Он указал, что в первых отношение (Ca + Na + + К)/4А1 = 1, в то время как во вторых это отношение оказыва­ лось гораздо больше единицы. Дело в том, что при малой величине этого отношения возникает дефицит кальция после образования по­ левых шпатов, и тогда вместо апатита образуются монацит и ксенотим. Наоборот, при избытке щелочей и кальция, после образования полевошпатовой молекулы избыток кальция образует с оставшимися окислами титана и фосфора прочные соединения в виде сфена, орти­ та, апатита, в которых оказываются распределенными также уран, торий, редкие земли, оставшиеся свободными, не связанными дру­ гими анионами.

Олово в гранитах, отличающихся повышенной оловоносностью,

. содержится преимущественно в биотитах. Оно может точно так же накапливаться в сфенах (табл. 47).

Существуют два способа изоморфного вхождения олова в био­

Точно такую же роль играет по отношению к ниобию и танталу титан; сходство их ионных радиусов также достаточно очевидно (i?Nbs+ = і?таб+ "= 0,69 А). Обычно изоморфизм протекает с уча­ стием железа: 2 Ті4+ -> Fe3+ (Nb, Та)5+. Поскольку 70% титана содержится в граните в биотитах, то и минералом-концентра­ тором ниобия в граните явится биотит, подобно тому, как он явился концентратором для олова. Известны случаи присутствия ниобия в сфенах: его вхождение в минерал является, вероятно, результатом гетеровалентного изоморфизма: Са2+ Ті4+ Na+ Nb5+.

Известны случаи, когда содержание ниобия в гранитах оказы­ вается столь большим, что он накапливается уже в виде собствен­

становке избытка натрия и кальция.

Свинец и цинк в обстановке постмагматических процессов обыч­ но выступают совместно. Однако в магматических телах они ведут себя различно. Это обусловлено в первую очередь различием их

Судя по приведенным данным, свинец находится преимущественно в полевом шпате, в то время как цинк — в биотите. Причиной является то, что для первого элементом-хозяином оказывается ка­ лий, а для второго — магний либо железо.

Втех случаях, когда удается проследить распределение цинка

исвинца в ряду дифференциатов от диоритов до гранитов, выяс­ няется, что цинк содержится в этих минералах в более или ме­ нее равных количествах, в то время как кривая свинца резко идет