Петрогенетические механизмы, приводящие к разнообразию состава магматических пород.

Магматические расплавы, которые при затвердевании превращаются в вулканические или интрузивные горные породы, зарождаются в верхней мантии или континентальной земной коре, а затем перемещаются вверх и либо достигают поверхности Земли либо кристаллизуются на некоторой глубине. Поведение магм (а следовательно и состав образующихся из них пород) в процессе зарождения, подъема и затвердевания в значительной мере определяется физическими свойствами расплавов, главными из которых являются температура, плотность и вязкость.

Магмы возникают в результате частичного плавления твердого вещества земной коры и верхней мантии, т.е. при Р—Т условиях между солидусом и ликвидусом. Самые глубинные магмы, достигшие поверхности Земли, образованы наглубине 150—250 км при литостатическом давлении 5—8 ГПа. Со столь глубокими источниками связаны, например, алмазоносные кимберлиты и лампроиты. Минимальная глубина магматических очагов составляет 10—15 км (Р= 250—500 МПа). На такой глубине зарождаются некоторые граниты. Горные породы иногда испытывают частичное плавление и ближе к поверхности Земли, но количество возникающего при этом расплава обычно очень мало.

Частичное плавление, приводящее к образованию магм, вызывается тремя причинами: 1) изобарическим нагревом мантийного или корового вещества выше температуры

Рис. 3.3. Причины плавления, приводящие к образованию магм

а — изобарический нагрев, 6 — адиабатическое (почти изотермическое) снятие давления, в — снижение температуры солидуса в присутствии воды, которая освобождается при дегидратации гид-роксилсодержащих минералов. Точка 1 — Р— Т условия до плавле­ния, точка 2 — Р— Т условия су­ществования расплава; S₁ — солидус при отсутствии воды, S₂ — солидус насыщенного водой расплава, D — кривая дегидратации гидроксилсодержащего минерала; остальные пояснения в тексте

Солидуса (рис. 3.3, а); 2) адиабатическим (почти изотермическим) подъемом нагретого твердого материала в область меньшего давления (рис. 3.3, б); 3) дегидратацией гидроксилсодержащих минералов с выделением воды, снижающей температуру солидуса (рис. 3.3, в). Эпизодический и локальный нагрев коры и верхней мантии обусловлен накоплением тепла вследствие радиоактивного распа­да химических элементов, главным образом U, Th, К. Частичное плавление может быть связано также с выделением тепла вязкого трения при пластических деформациях глубинного вещества. Источником тепла, под воздействием которого плавится материал континентальной земной коры, часто служат высокотемпературные мантийные магмы основного или ультраосновного состава, переме­щенные на меньшую глубину.

Подъем магм

Механическая неустойчивость магматических источников в конечном итоге приводит к тому, что расплав отделяется от твердого

каркаса и перемещается вверх. Главной движущей силой этого процесса служит избыточное давление расплава, возникающее вследствие объемного эффекта плавления и разности плотностей жидкой и твердой фаз. Если, например, расплав, образованный на глубине А, заполняет вертикальный канал высотой h₂, верхняя кромка которого находится на глубине h₁ от поверхности (рис. 3.4), а плотность расплава (р₂) меньше плотности окружающих пород (р₁), то на уровне А избыточное давле­ние равно ∆Р = Р₁ - Р₂ = р₁g(h₁ + h₂) — (р₁gh₁ +p₂gh₂) = (р₁—p₂)gh₂ Чем больше вертикальная протяженность столба расплава, тем больше избыточное давление жидкой фазы. Следовательно, отделение магматической жидкости и ее подъем являются саморазвивающимися процессами, которые протекают с ускорением. Чем больше появляется магмы, тем больше избыточное давление расплава, и тем стремительней происходит его сепарация и подъем. Магмы поднимаются вверх вдоль трещин, существующих в твердых породах. Избыточное давление расплава способствует раскрытию трещин, что значительно ускоряет фильтрацию магмы. По аналогии с гидроразрывом пластов, который применяется при добыче нефти, это явление получило название магморазрыва. Трещины, заполненные магмой, превращаются при затвердевании в дайки.

Если производительность магматического источника достаточно высока, то одновременно возникает множество трещинных каналов, которые, соединяясь друг с другом, образуют сложную систему крутопадающих и пологих проводников. Расположенные между ними блоки твердых пород теряют механическую устойчивость и начинают погружаться вниз, освобождая место для расплава; таким способом могут возникнуть крупные интрузивные тела.

Чем глубже находится источник мантийных магм, тем выше он может проникнуть в земную кору. Поэтому основные и ультраосновные магмы, которые зарождаются вблизи поверхности Мохо-ровичича, часто затвердевают в виде интрузивных тел, а более глубинные расплавы образуют лавовые потоки на суше или морском дне. Таким образом, земная кора служит плотностным фильтром, который задерживает тяжелые магмы, возникшие в верхней мантии. Значительная часть мантийных магм, вероятно, скапливается вблизи основания континентальной коры, увеличивая мощность гранулитобазитового слоя.

Магматические горные породы, связанные с эндогенными источниками, могут быть разделены на три крупных генетических класса:

1) породы мантийного происхождения, источником которых служит верхняя мантия Земли;

2) породы корового происхождения, которые зарождаются в континентальной земной коре;

3) гибридные магматические породы, образованные в результате смешения мантийных и коровых магм, ассимиляции (усвоения) мантийными магмами твердого корового материала и, наоборот, растворения мантийных пород в коровых магмах.

Верхняя мантия служит источником разнообразных магматических пород, среди которых выделяются три главных генетических типа:

1) продукты затвердевания первичных мантийных магм, не изменивших состав при подъеме и кристаллизации;

2) дифференциалы мантийных магм, возникшие в результате тех или иных преобразований первичного расплава;

3)кумулаты мантийных магм — породы, содержащие избыток той или иной кристаллической фазы (фаз) по сравнению с тем количеством, которое образуется при равновесной кристаллизации

Продукты затвердевания первичных мантийных магм

Первичные мантийные магмы возникают в процессе частичного плавления перидотитов, залегающих ниже поверхности Мохоровичича. После удаления жидкой фазы в верхней мантии остается реститовый материал, представленный деплетированными (истощенными) перидотитами или дунитами.

Дифференциаты мантийных магм

Поднимаясь к поверхности и частично затвердевая, мантийные магмы обычно испытывают дифференциацию, в процессе которой состав жидкой фазы меняется по сравнению с первичным. Механизм дифференциации может сводиться к отделению твер­дых фаз от остаточного расплава в ходе кристаллизации, разделению расплава на две несмешивающиеся жидкости контрастного соста­ва и их расслоению по плотности, обогащению локальных зон маг­матических камер теми или иными химическими элементами путем термодиффузии (эффект Соре) или переноса компонентов в газовой фазе.

Главное значение имеет кристаллизационная дифференциация, связанная с разделением (фракционированием) твердых и жидких фаз. Кристаллизация первичной мантийной магмы, перемещенной на малые глубины, начинается с выделения твердых фаз. Если отделить кристаллические фазы от жидкости, то ее состав окажется иным по сравнению с составом первичной магмы. В этом и заключается сущность кристаллизационной дифференциации — одного из важнейших петрогенетических механизмов.

Кристаллизационная дифференциация происходит в системе промежуточных камер, которые заполняются мантийными магмами при их подъеме к поверхности Земли. Вследствие высокой плотности магматических жидкостей мантийного происхождения значительная их часть, вероятно, скапливается в основании земной коры. Промежуточные камеры формируются и выше вплоть до приповерхностной зоны, как это установлено, например, под вулканами Гавайских островов.

Промежуточные камеры периодически разгружаются при перемещении расплава на меньшую глубину и пополняются новыми порциями магмы из более глубинных источников. В периоды «покоя» в камерах происходит частичная кристаллизация расплава с выделением твердых фаз, плотность которых отличается от плотности окружающей жидкости. Оливин, пироксен и другие минералы, имеющие более высокую плотность по сравнению с магматической жидкостью, могут погружаться, образуя скопления в нижних частях камер, а кристаллы плагиоклаза более кислые, чем Аn₇₅, будучи относительно легкими, наоборот, могут всплывать и концентрироваться вблизи кровли магматических камер. Осаждение кристаллов приводит к обеднению расплава теми компонентами, которые содержатся в кристаллических фазах, и состав жидкости су­щественно отклоняется от первоначального.

В зависимости от состава первичной мантийной магмы и Р—Т ус-ловий ее кристаллизации возникают разные серии дифференциатов. Так, дифференциация низкощелочных пикритов и пикробазальтов, обусловленная отделением от первичных магм оливина, хромовой шпинели, клинопироксена и высококальциевого плагиоклаза, приводит к возникновению серий дифференциатов, которые завершаются низкомагнезиальными толеитовыми базальтами и габбро. Дифференциация умереннощелочных пикробазальтов, содержащих до 10 мас.% нормативного нефелина, смещает состав магматических жидкостей в сторону трахибазальта-трахита (монцонита-сиенита), а серии дифференциатов высокощелочных оливиновых меланефелинитов могут заканчиваться фонолитами и нефелиновыми сиенитами. При этом в умеренно- и высокощелочном рядах обособляются натриевые и калиевые дифференцированные серии

Кристаллизационная дифференциация является одним из глав­ных петрогенетических процессов, определяющих разнообразие магматических горных пород. Другие механизмы дифференциа­ции имеют второстепенное значение; они проявляются локально и лишь при благоприятном стечении обстоятельств.

Например, ес­ли в ходе кристаллизационной дифференциации остаточный рас­плав одновременно обогащается кремнеземом, калием и железом, то может произойти самопроизвольное разделение расплава на две несмешивающиеся жидкие фазы, одна из которых близка по вало­вому составу к железистому пироксениту, а другая — к граниту. Самым наглядным признаком разделения жидких фаз, которое на­зывают ликвацией, служит наличие в одной магматической породе стекол разного состава, образующих участки с эмульсионной тек­стурой, которая описана в ряде земных и лунных базальтов.

Кумулаты мантийных магм

В процессе кристаллизационной дифференциации первичные магмы разделяются на дифференциаты — остаточные расплавы и кумулаты — скопления кристаллических фаз. Самым распространенным механизмом формирования кумулатов является гравитационное осаждение ранних кристаллических фаз (оливин, пироксен, хромовая шпинель) вблизи подошвы магматических камер, заполненных основными и ультраосновными расплавами.

Примерами кумулятивных образований могут служить придонные части базитовых силлов, обогащенные оливином, некоторые массивы дунитов и оливинитов, залежи хромититов в ультра-мафитах, пикриты с избыточными вкрапленниками оливина. Известны кумулятивные породы, возникшие вследствие всплыва-ния относительно легких кристаллов плагиоклаза в кровле магматических камер.