Анатексис, дифференциация, ассимиляция

Образование магматических горных пород происходит вследствие трех процессов: анатексиса, дифференциации и ассимиляции.

Анатексис – процесс расплавления твердых горных пород под действием глубинного потока тепла и флюидов с образованием силикатных расплавов, другими словами, это процесс зарождения первичных магм, который происходит в земной коре и, главным образом, в верхней мантии. Как было отмечено выше, механизм плавления горных пород обратен ходу их кристаллизации. Плавление горных пород происходит в зоне анатексиса или зоне магмообразования. Большинство геологов в настоящее время увязывает эти зоны с геофизическими зонами астеносферы или зонами Гутенберга в мантии и земной коре, где наблюдается уменьшение скоростей распространения продольных (V_p) и поперечных (V_s) сейсмических волн, которые в общем разрезе земной коры постепенно увеличиваются от поверхности к центру. Предполагается, что причиной такого уменьшения является появление жидкой фазы за счет частичного или селективного плавления горных пород. В жидкой фазе волны распространяются медленнее, чем в твердом веществе. Частичное или селективное плавление проявляется в появлении в горной породе тонких пленок межзерновой и межгранулярной жидкости.

Астеносфера хорошо фиксируется в первую очередь под современными геосинклиналями, где верхняя кромка астеносферы иногда поднимается до уровня 20 – 30 км от поверхности, переходя границу Мохоровичича, а нижняя опускается на несколько сотен километров. На отдельных участках под геосинклиналями астеносфера носит двух-, иногда трех-ярусный характер (Камчатка, Курильские острова). Иногда астеносфера захватывает не только мантию, но и нижние части земной коры (Забайкалье). Под платформами наблюдается прерывистый слой астеносферы с верхней кромкой на глубинах 150 – 200 км, т.о. на платформах астеносфера фиксируется не везде. Под рифтовыми зонами на платформах верхняя кромка астеносферы образует резкий выступ, поднимаясь до глубины 15 – 20 км от поверхности – рифтовые зоны постоянно характеризуются большими значениями величины теплового потока из недр Земли.

В процессе анатексиса возникают первичные магмы, общее число которых, в первом приближении, можно свести к четырем: базальтовой, гранитной, ультраосновной и щелочной. Гранитная магма образуется в гранитном слое при плавлении гранитов, гнейсов и кристаллических сланцев. Базальтовая магма возникает в результате частичного плавления (5 – 15 %) ультраосновных пород верхней мантии. Ультраосновная магма, как и базальтовая, выплавляется в верхней мантии, но в результате полного плавления ультраосновных пород, а щелочная – в верхней мантии под влиянием потока глубинных флюидов, богатых щелочами, летучими, редкоземельными, радиоактивными и другими элементами. Т.о. большинство первичных магм, особенно самая крупная базальтовая, имеют мантийное происхождение.

Подъем магм из зоны анатексиса происходит по системе глубинных разломов. Для одних магм, например кимберлитовых, характерен прямой подъем, без задержки, происходящий по тектоническим трещинам, дренирующим зоны магмообразования на глубинах, возможно, до 600 км. Для жидких ультраосновных магм, в частности для кимберлитовой, предполагается высокая скорость подъема, варьирующая от 0,1 до 20 м/с. Кроме прямого, возможен прерывистый подъем магм с той или иной временной задержкой в промежуточных магматических очагах, где также могут происходить процессы дифференциации и ассимиляции. Некоторое представление о таком прерывистом подъеме магм можно составить из предыстории извержения вулкана Амбрима на островах Новые Гибриды 15 апреля 1963 г. В течение периода с 28 августа 1961 г. до начала извержения в районе вулкана было зафиксировано 6 землетрясений с гипоцентрами, последовательно перемещающимися с глубины 600 км к поверхности. Предполагается, что эти перемещения связаны с прерывистым подъемом магмы на более высокие стратиграфические уровни.

Исследования вулканологов на Гавайских островах, в частности с помощью точных нивелировок, показывают, что непосредственно под действующими базальтовыми вулканами находятся вулканические подушки или верхние субвулканические или так называемые периферические очаги, которые постепенно заполняются магматическим расплавом. В определенный критический момент, когда такой очаг переполняется расплавом, происходит вулканическое извержение. При этом вся область над магматической подушкой проседает с образованием крупных кальдер.

Геофизическими исследованиями под современными вулканами показывают, что такие периферические очаги устанавливаются на глубинах до 10 км. Так на Камчатке под Авачинским вулканом периферический очаг имеет форму линзы диаметром 7 км и залегает на глубине 1,5 – 2 км, под вулканом Безымянный такой же линзовидный очаг диаметром 5 – 8 км залегает на глубине 3 – 5 км. Под вулканом Везувий глубина периферического очага составляет 5 км, под гавайским вулканом Килауэуа – 5 км, под вулканами Шотландии – 4 – 7 км, под вулканами Японии – 0,5 – 10 км, под вулканами Азорских островов – 5 км. Кроме периферических, под вулканами отмечаются и глубинные магматические очаги. Например, под Авачинской группой вулканов геофизиками предполагается наличие вертикальной столбообразной зоны диаметром около 25 км, обогащенной магмой и располагающейся в интервале глубин 20 – 100 км. Такого же типа магматический столб на глубинах 40 – 100 км намечается и под Ключевской группой вулканов. В целом, глубинные очаги устанавливаются до глубин 600 км. Как показали наблюдения вулканологов над извержением вулкана Толбачик, извержению предшествовал мощный и долговременный выброс флюидной фазы в виде газовой струи высотой несколько десятков метров.

Магматическая дифференциация (от лат. differentia – различие) – процесс разделения, расчленения первичной или родоначальной магмы на магмы производные и вторичные, образующие в конечном итоге все разнообразие магматических горных пород. Петрологически важными являются следующие физико-механические механизмы дифференциации.

Кристаллизационная дифференциация. С началом кристаллизации появляются широкие возможности для дифференциации, поскольку из магмы кристаллизуются минералы, состав которых отличается от состава расплава. В результате состав самой магмы существенно изменяется. Процесс кристаллизационной дифференциации является основным процессом дифференциации.

Ликвационная дифференциация. Ликвацией называется способность расплава в процессе охлаждения распадаться на два или более несмешивающихся расплава. К сожалению, эксперименты показывают, что подавляющее большинство магм не имеет областей ликвации, т. е. петрологическое значение этого процесса весьма ограничено.

Гравитационная дифференциация состоит в осаждении кристаллов в более легкой жидкости. Процесс имеет место в некоторых стратифицированных или расслоенных интрузиях основного и ультраосновного состава, где наблюдается отчетливая концентрация тяжелых минералов – оливина, пироксена и хромита.

Диффузионная дифференциация может возникнуть в магме в следствие опускания ионов под действием силы тяжести, температурного градиента или потока летучих компонентов.

Ассимиляция – это процесс взаимодействия магмы с вмещающими породами, т.е. процесс полного или неполного поглощения и усвоения магмой стенок магматических камер и обломков боковых пород, других магм (смешение магм), флюидов и жидкостей. Ассимиляция (слияние) является процессом, прямо противоположным дифференциации (разделению). Эта противоположность находит свое отражение и в том, что в процессе дифференциации энтропия магмы уменьшается, а в процессе ассимиляции она растет. Кроме термина «ассимиляция» определенной популярностью пользуются термин «контаминация» (лат. contaminatio – загрязнение), но в более узком значении, как ассимиляция осадочных пород.

В полевых условиях конкретные следы процесса асссимиляции обычно хорошо наблюдаются на контактах магматических тел с вмещающими породами. Благодаря взаимодействию с этими породами состав исходной магмы изменяется и возникает новая гибридная магма (от лат. hibrida – помесь), из которой образуются гибридные горные породы. Термины «гибридизм» и «гибридные горные породы» возникли из гипотез Бунзена (1851 г.) и Дюроше (1857 г.), полагавших, что все разнообразие магматических пород проистекает от смешения двух крайних магм – основной и кислой. Сейчас, как будет показано ниже, мы снова возвращаемся к этим представлениям, но на новом уровне знаний. Гибриды горных пород несут на себе признаки двойственного происхождения – содержат крупные блоки вмещающих пород – ксенолиты и кристаллов – ксенокристаллы, характеризуются неравновесными минеральными ассоциациями, неоднородными текстурами и структурами. Ассимиляция включает в себя процесс механического заполнения магмы обломками вмещающих пород и процесс физико-химического преобразования магмой обломков вмещающих пород и стенок магматических камер. Механическое заполнение может происходить в результате активного захвата внедряющейся магмой тектонически раздробленного материала или в результате магматического обрушения стенок и кровли камеры относительно пассивного магматического очага.

Если магма ассимилирует одну, часто химически специализированную горную породу (карбонатную, кремнистую, глинистую), процесс называется простой ассимиляцией, а если пестрые по составу породы – смешанной.

Процесс ассимиляции является эндотермическим и его масштаб определяется запасом внутренней тепловой энергии магмы. А чтобы эта энергия была велика, магма должна быть «перегрета». В принципе, тепло охлаждения магматического тела (Q) складывается:

Q = Q_докр = Q_перегр + Q_кр + Q_пкр, где

Q_докр – докристаллизационное тепло, или тепло перегрева; Q_кр – кристаллизационное тепло; Q_пкр – послекристаллизационное тепло.

Тогда ассимиляционные возможности магматического тела выражаются:

(Q_перегр + Q_кр)_магмы

Y = ---------------------------,

(Q_нагр + Q_пл)_{вмещ. пород}

где Q_нагр – тепло нагревания; Q_пл – тепло плавления вмещающих пород.

Относительно тепла перегрева магм у петрологов существует большой скептицизм, т. к. анатексис в большинстве случаев предполагает лишь частичное плавление, при котором не может возникнуть перегрева. Однако, в ряде случаев, скажем при образовании глубинных мантийных, в частности, ультраосновных магм возможно их образование в результате полного плавления и в ряде случаев можно предположить их большой перегрев и значительные ассимиляционные возможности, в том числе при переносе мантийных включений ультраосновными и щелочными магмами.

С позиций механизма физико-химического взаимодействия магм с твердыми обломками вмещающих пород и стенками камер различают нормальную и обратную ассимиляцию.

При нормальной ассимиляции температуры магм выше температур плавления вмещающих пород и магмы могут их расплавить. Пример – ассимиляция базальтовой магмой гранитов.

При обратной ассимиляции температуры магм ниже температур плавления вмещающих пород и магмы не могут их расплавить. Пример – ассимиляция гранитной магмой базальтов. При обратной ассимиляции происходит предварительный процесс метасоматической переработки магмой твердого материала, например, «гранитизация» обломков базальтов, после чего уже происходит их последующее растворение в гранитной магме. Другой пример – ассимиляция глубинными щелочными магмами обломков ультраосновных пород – лерцолитов, гарцбургитов, дунитов. Процесс метасоматической переработки происходит под действием магматических флюидов, проникающим в ксенолиты по межзерновым пространствам. Концентрация флюидов вокруг ксенолитов иногда особенно хорошо фиксируется наличием около них пегматоидных оторочек.

В процессе обратной ассимиляции может быть использовано лишь тепло перегрева, т. к. с началом процесса кристаллизации на стенках камер и вокруг ксенолитов возникают корки первых продуктов кристаллизации, которые преграждают доступ флюидов из магмы, так сказать «консервируют» поверхность боковых пород.

В геологическом отношении различают ассимиляцию на месте (in situ) и на глубине. С учетом распространенности горных пород и их химизма полезно различать:

1 Ассимиляцию глинистых и кислых магматических пород;

2 Ассимиляцию основных пород;

3 Ассимиляцию карбонатных пород;

4 Ассимиляцию кремнистых пород.

В настоящее время роль процессов ассимиляции, как причина общего разнообразия магматических горных пород считается весьма ограниченной. Тем не менее, все более и более вырисовывается роль процессов смешения магм, не требующих участия тепла перегрева, а также роль эманационной ассимиляции, идущей с поглощением флюидов.

Из числа популярных моделей ассимиляции отметим следующие:

1 Образование щелочных магм в результате насыщения ультраосновной, основной и кислой магм щелочами из потока глубинных флюидов;

2 Образование средних магм в процессе смешения основных и кислых магм;

3 Смешение ультраосновных и основных расплавов при формировании расслоенных массивов;

4 Ассимиляция сульфатных пород – ангидритов и гипсов – с обогащением основных магм серой при образовании сульфидных медно-никелевых месторождений Норильска;

5 Ассимиляция углистых пород и каменных углей с обогащением магм углеродом. В частности, как источник углерода при образовании алмазов. Реальных пример – выжигание пластов угла базальтовой магмой можно наблюдать в карьере «Медвежий ручей» интрузии «Норильск – 1».