Эндогенные процессы магматизм
Магматические горные породы, образовавшиеся из жидкого расплава - магмы, играют огромную роль в строении земной коры. Эти породы сформировались разными путями. Крупные их объемы застывали на различной глубине, не дойдя до поверхности, и оказывали сильное воздействие на вмещающие породы высокой температурой, горячими растворами и газами. Так образовались интрузивные (лат. "интрузио" - проникаю, 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. "эффузио" - 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 стекла - расплава. Подобные извержения называются эксплозивными (лат. "эксплозио" -взрывать). Поэтому, говоря о магматизме (от греч. "магма"- пластичная, тестообразная, вязкая масса), 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 движений 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 палеогеографических условий геологического прошлого, что позволяет нам их реконструировать.
Понятие о магме
Магма - это расплавленное вещество земной коры. Она образуется при определенных значениях давления и температуры и с химической точки зрения представляет собой флюидно-силикатный расплав, т.е. содержит в своем составе соединения с кремнеземом (Si) и кислородом (О) и летучие вещества, присутствующие в виде газа (пузырьков), либо растворенные в расплаве. При затвердевании магматического расплава он теряет летучие компоненты, поэтому горные породы гораздо беднее последними, нежели магма. Силикатные магматические расплавы состоят из кремнекислородных тетраэдров, которые полимеризованы в разной степени. Если последняя низка, то тетраэдры, как правило, изолированы; если высока, то они сливаются в цепочки, кольца и т. д.
Любой магматический расплав - это по существу трехкомпонентная система, состоящая из жидкости, газа и твердых кристаллов, которые стремятся 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. Следует различать первичные и вторичные магмы. Первые возникают на разных глубинах земной коры и верхней мантии и, как правило, имеют однородный состав. Однако, продвигаясь в верхние этажи земной коры, где термодинамические условия иные, первичные магмы изменяют свой состав, превращаясь во вторичные и образуя разные магматические серии. Подобный процесс называется магматической дифференциацией, на которую оказывают влияние образование кристаллов минералов 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, всегда отличаются от нее по составу, а также по плотности, что вызывает осаждение 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, расплав в которой из однородного базальтового становится расслоенным. Нижняя часть приобретает ультраосновной состав, более высокая - базальтовый, а самые верхние части, обогащаясь кремнеземом и щелочными металлами, приобретают еще более кислый состав, вплоть до гранитного. Так образуются расслоенные интрузивные тела. Кристаллизационная и гравитационная 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, состоящий из нелетучих главных петрогенных окислов: SiO2, TiO2, А12O3, Fе2O3, FeO, CaO, MgO, Na2O, K2O, по объему составляющих 90-97 %. Летучие компоненты в магме представлены СO2, H2, H2O, F2, В и др. Оксид углерода, водород, вода легко (раньше всего) отделяются от расплава, способствуя образованию "сухих" магм. Фтор и другие летучие компоненты накапливаются в расплаве, так как они трудно отделимы от него.
"Сухие" расплавы, например известные всем доменные алюмосиликатные шлаки, кристаллизуются при высокой температуре - около 1500-1600o С. В то же время природные базальтовые расплавы имеют температуру кристаллизации 1200-1300o С, а более кислые и еще ниже.
Что же препятствует их кристаллизации?
Самый главный фактор, вызывающий понижение температуры кристаллизации,- это флюидное давление. Чем оно выше, тем температура кристаллизации ниже. Особенно велико влияние воды на структурные и химические свойства силикатных расплавов. Увеличение давления Н2O и ее растворение понижает вязкость расплавов и превращает алюмосиликатные расплавы в силикатные. Важное значение имеет продукт восстановления воды - водород H2 и так называемое водно-водородное отношение Н2O/Н2, в зависимости от которого варьирует соотношение Fе2Оз и 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, резко понижают температуру кристаллизации расплава, а компоненты труднорастворимые, наоборот, повышают температуру кристаллизации.
Если в магме содержится много летучих компонентов, которые могут легко от нее отделиться, 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 ними, 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. На больших глубинах перемещение магмы может происходить только при явлении магматического замещения, когда глубинные трансмагматические флюиды реагируют с вмещающими породами, растворяя их, при этом осуществляется привнос - вынос различных элементов.
Как правило, магма представляет собой наиболее легкоплавкий состав - эвтектику, поэтому и вынос из магматического расплава при взаимодействии с вмещающими породами происходит за счет избыточных компонентов именно 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. Именно поэтому у гранитных интрузивов такие обширные зоны изменения в окружающих толщах. При взаимодействии магмы с последними часто происходит их усвоение, ассимиляция, что приводит к возникновению новых пород, называемых гибридными.
Каким же образом магма превращается в горную породу? Кристаллизация происходит не мгновенно, а в определенном интервале температур (рис. 11.2). С падением температуры в точке 1 появляется кристалл, который сосуществует с жидкостью. Эта точка располагается на линии, примыкающей к жидкому расплаву,- линии ликвидуса, Дальнейшее падение температуры, происходящее в некотором интервале, будет приводить к кристаллизации новых минералов, находящихся в окружении остаточного расплава. Выделение минерала в точке 2 произойдет, когда весь расплав уже раскристаллизован, т.е. эта точка лежит на линии, примыкающей к твердому телу, называемой линией солидуса или солидусом. Охлаждение и потеря летучих компонентов оказывают на расплав одинаковое влияние.
Рис. 1. Диаграмма плавкости для твердых растворов плагиоклазового ряда (по Н. Боуэну). Давление Р = 1 атм. Состав выделившихся из расплава кристаллов определяется на оси. Точки 1, 2, 3, 4, 5 и 6 обозначают разные стадии кристаллизации расплава
Таким образом, магма - это флюидно-силикатный расплав, эволюционирующий сложным путем, зависящим от такого 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. Наличие легко отделяемых летучих компонентов приводит к вулканическим процессам, трудно отделяемых - к интрузивным.