48-49-50. Превращение магматического расплава в горную породу, ликвидус, солидус.

Дифференциация магмы и превращение ее в горную породу

Магматическая дифференциация магмы и возникновение магматических пород

Магма - это расплавленное вещество, которое образуется при определенных

значениях давления и температуры и представляет собой флюидно-силикатный расплав,

т.е. содержит в своем составе соединения с кремнеземом (SiО2) и летучие вещества,

присутствующие в виде газа (пузырьков), либо растворенные в расплаве (рис. 15.1.1). 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 степень полимеризации низка, то тетраэдры, как правило, изолированы; если высока,

то они сливаются в цепочки, кольца. 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 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 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. 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 Н2О и ее растворение понижает вязкость расплавов и температуру

их кристаллизации. Важное значение имеет 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. 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, которое как раз и способствуют

достижению ее эвтектического состава, т.е. самого легкоплавкого. Кислые и средние

магм, 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.

51. Продукты извержения вулканов и строение лавовых потоков

Газообразные продукты или летучие, как было показано выше, играют решающую

роль при вулканических извержениях и состав их весьма сложен и изучен далеко не

полностью из-за трудностей с определением состава газовой фазы в магме, находящейся

глубоко под поверхностью Земли. По данным прямых измерений, в различных

действующих вулканах среди летучих содержится водяной пар, диоксид углерода (СО2),

оксид углерода (СО), азот (N2 ), диоксид серы (SО2 ),триоксид серы (SО3), газообразная

сера (S), водород (Н2 ), аммиак (NН3 ), хлористый водород (HCL), фтористый водород

(HF), сероводород (Н2 S), метан ( СН4), борная кислота (Н3ВО3), хлор (Сl), аргон и другие,

но преобладают Н2О и СО2. Присутствуют хлориды щелочных металлов, а также железа и

меди. Состав газов и их концентрация очень сильно меняются в пределах одного вулкана

от места к месту и во времени. Зависят они и от температуры и в самом общем виде от

степени дегазации мантии и от типа земной коры. По данным японских ученых,

зависимость состава вулканических газов от температуры выглядит следующим образом.

Температура, °С Состав газов (без воды)

1200-800 HCl,CO2,H2O,H2S,SO

800-100 HCl,SO2, H2S, CO2, N2, H2, HCl

100 -60 H2, CO2, N2, SO2, H2S

60 CO2, N2, H2S

Данные таблицы показывают, что наиболее высокотемпературные газы являются

скорее всего ювенильными, т.е. первичными магматическими эманациями, тогда как при

более низких температурах они явно смешиваются с атмосферным воздухом и водой,

которая проникает в вулканические каналы по многочисленным трещинам. Такая

атмосферная вода называется вадозной (вадозус - неглубокий, лат.). Ниже +100°С пары

воды превращаются в жидкость, которая реагирует с малорастворимыми соединениями

типа HСl, образуя агрессивные кислоты. В газах Ключевского вулкана на Камчатке при

800-300°С преобладали H2, HF, CO, CO2, SO2 ; при 200-150°С - H2,HCl, CO, CO2, SO2;

при 100-50° С - CO2, SO2; при 81-50° С - CO2. Газы континентальных вулканов

отличаются от газов вулканов, расположенных на островах в океанах.

Состав газов очень изменчив, не только в разных типах вулканов, но даже и в

пределах одного вулкана, что хорошо показал известный французский вулканолог

Г.Тазиев, на примере газовых эманаций вулкана Стромболи в Липарских островах у

северного побережья Сицилии. Содержание и состав газов непрерывно изменялись при

опробовании через каждые две минуты. Как уже говорилось, вулканические газы - это

главный движитель извержений. Характер выделения газов зависит от состава и вязкости

магмы, а скорость отделения газов от расплава определяет тип извержений.

Магма, поднимаясь вверх по каналу и, достигнув поверхности Земли, изливается в

виде лавы (лаваре - мыть, стирать, лат.), отличающейся от магмы тем, что она уже

потеряла значительное количество газов. Термин лава вошел в геологическую литературу

после того, как он стал использоваться для излившейся магмы Везувия. Содержание газовых пузырьков в целом пропорционально уменьшению вязкости

лавы, однако в кислых лавах, обычно высоковязких, влияние пузырьков может быть

противоположным, т.к. они не могут свободно перемещаться в расплаве и так с высокой

вязкостью. Движение лавовых потоков, как правило, ламинарное и, реже,

турбулентное, что создает хорошо различимую флюидальную текстуру в породах.

Строение лавовых потоков, как в плане, так и в разрезе сильно зависит от их

химического состава и других факторов, рассмотренных выше.

Базальтовые лавовые потоки, как правило, имеют небольшую, в первые метры

мощность, и распространяются на многие десятки км, например, на Гавайских островах до

60 км. Миоценовые базальтовые лавовые потоки в долине р.Колумбии на западе США

имеют длину до 160 км при максимальной мощности потока до 45 м.

Поверхность базальтовых лавовых потоков формируется за счет быстрого

остывания тонкой корочки и пока она еще не потеряла пластичность, происходит ее

волочение и сморщивание, наподобие пенки у остывшего киселя. Газовые пузырьки,

поднимающиеся сквозь поток, скапливаются под этой корочкой и могут ее даже

приподнимать над еще не остывшей лавой. Такая поверхность, напоминающая лежащие

канаты называется пахоэхоэ («волнистая», гавайский термин) (рис. 15.4.1). Эти «канаты»

всегда направлены выпуклостью по направлению движения потока. Так как с поверхности и с боков потока лава остывает быстрее, а в центре еще

продолжается движение поступающих новых порций расплава, то в потоке образуется

труба, потому, что последние порции жидкой лавы ушли в головную часть потока. Другой тип поверхности базальтовых потоков называется аа-лавой и представлен

остроугольными обломками лав с многочисленными шипами, отходящими во все стороны

от обломков и образующимися при растягивании еще вязкой корки потока, которая

неоднократно дробится и вновь возникает. Так формируется поверхность аа-лавы,

мощностью в первые метры. Глыбовая лава, отличается от аа-лавы только отсутствием шипов на остроугольных

обломках и более гладкой поверхностью, иногда почти зеркальной. Классические

глыбовые лавы наблюдаются в голоценовых, самых молодых дацитовых потоках

Эльбруса, например вдоль канатной дороги от поляны Азау до верхней станции Мир.

Глыбовые лавы имеют большую вязкость, чем аа-лавы, поэтому они чаще встречаются в

андезитовых, дацитовых и риолитовых лавах. Помимо жидких продуктов - лав, при извержении вулканов, особенно

экплозивных, выбрасывается огромное количество твердого обломочного материала -

тефры, как назвал его когда-то Аристотель. Сюда же включаются выбросы жидкой лавы,

в процессе полета быстро остывающей и падающей на склоны вулкана уже твердой. Классификация тефры может основываться на различных признаках, в частности

на размерах обломков. Наиболее крупными из них являются вулканические бомбы (более

7 см в диаметре). Выбрасываясь из жерла вулкана фрагменты разорванной газами магмы,

обладая пластичностью, изменяют свою форму. Вращаясь в воздухе они приобретают

веретенообразную форму, причем наветренная сторона бомбы отличается от

противоположной (рис.15.4.9). Жидкая лава дает струи, которые превращаются в

ленточные или цилиндрические бомбы. Отдельные куски лавы, разорвавшись в воздухе,

образуют сферические бомбы. Ряд бомб, сформировавшись, вновь падают в расплав, тогда

формируются бомбы обволакивания. Если бомба падает, еще не полностью остыв, она

сплющивается, называясь бомбой типа коровьей лепешки. Ряд бомб, остыв в полете с

поверхности еще выделяют газы из внутренних частей, которые разрывают уже почти

твердую поверхность и называются бомбами типа хлебной корки.