Общие представления о магме и магматических горных породах

Магматические горные породы образуются в результате охлаждения и отвердения магмы – горячего подвижного вещества, состоящего полностью или в значительной мере из жидкой фазы, отвечающей по составу силикатному расплаву, очень редко карбонатному. Сульфидному или окисному.

Химизм этого расплава по аналогии с химическими анализами горных пород выражают в виде массовых процентов содержания двенадцати главных компонентов окислов: SiO₂, Al₂O₃, FeO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O и др. Кроме того, в состав магм входят многочисленные элементы примеси (Mn, Ni, Sn, Ba, Rb, U, S, Cl, F и др.), содержания которых выражается в n _*10^-2,-4%. Наконец, в магмах присутствует важная группа второстепенных компонентов, в сумме составляющих не более нескольких массовых процентов и называемые в связи со способностью истечения из кристаллизующейся магмы – летучими или фугитивными. Главная роль среди них принадлежит H₂O и СО₂.

Во время становления в земной коре или при извержениях на поверхности магмы обычно бывают гетерогенны. Фаза расплава содержит взвешенные кристаллы, а также пузырьки, генерирующиеся по мере снятия давления, особенно при пересыщении расплава летучими компонентами.

Первичные магмы изменяют свой состав, попадая в новые термодинамические условия верхних частей Земли при их внедрении или извержении на поверхность. Это происходит в результате магматической дифференциации или эволюции, когда первично-однородная магма разделяется с образованием разных по составу производных магм. При этом образуются закономерные серии магматических пород.

Различают три главных процесса, в которых проявляется магматическая дифференциация:

- кристаллизация (кристаллизационная дифференциация)

- взаимодействие с флюидом (флюидно-магматическая или трансмагматическая дифференциация);

- взаимодействие с вмещающими (боковыми) породами (дифференциация в процессе магматического замещения и ассимиляции).

Наиболее полно проявлена в природе и изучена как в процессе эксперементальных исследований, так и при петрографических наблюдениях кристаллизационная дифференциация. Отделение кристаллов от расплава может происходить под влиянием различных причин:

- неравномерное охлаждение магматического расплава, вызывающие диффузию вещества, при которой вблизи контакта формируются ассоциации более тугоплавких минералов, а по направлению к центру интрузии – менее тугоплавких;

- отжимание расплава от кристаллов под влиянием тектонических сил;

- отделение расплава от кристаллов путем фильтрации расплава во вмещающие породы;

- отделение кристаллов под действием силы тяжести (гравитационное фракционирование).

Процесс гравитационной дифференциации является основным. При протекании этого процесса в спокойных тектонических условиях происходит последовательное обогащение различных горизонтов магматического очага минералами в соответствии с порядком реакционных серий Н. Боуэна. Сущность его заключается в том, что кристаллы, выделяющиеся из магмы, закономерно отличаются от нее по составу. Первые из них являются более основными и магнезиальными. Они отличаются от магматического расплава по плотности и поэтому отделяются от магмы, оседая на дно магматической камеры. Последующие кристаллы имеют менее основной состав и меньший удельный вес, поэтому располагаются в пределах интрузивного тела выше по уровню. В результате из однородной магмы формируется как бы расслоенная интрузия, сложенная различными по составу магматическими породами от гипербазитов на нижнем уровне до гранитоидов в верхних. С изменением состава остаточного расплава Боуэном была установлена последовательность выделения кристаллов из магм нормального щелочного ряда:

- железомагнезиальные минералы оливин—пироксен—роговая обманка—биотит (прерывистая реакционная серия);

- лейкократовые минералы основной--средний—кислый плагиоклазы (непрерывная реакционная серия), ортоклаз, кварц.

Ранние выделения темноцветов всегда боле магнезиальные, чем расплав, и соответственно более поздние минералы имеют преимущественно железистый состав.

Процесс дифференциации может происходить как на глубине в магматическом очаге, так и в более высоких горизонтах земной коры, в магматической камере. В результате дифференциации на глубине и последующего внедрения остаточного расплава в верхние горизонты коры образуются разнообразные по составу серии магматических пород. При дифференциации в пределах магматической камеры в спокойных тектонических условиях формируются весьма специфические псевдостратифицированные плутоны.

Теория дифференциации, разработанная Н. Боуэном предусматривала образование всех магматических пород, включая всю массу гранитов, из одной первичной родоначальной магмы основного состава.

Левинсон-Лессинг подверг сомнению возможность формирования всех пород, особенно близких по составу к гранитам, за счет дифференциации основной магмы. Он доказал невозможность возникновения огромных массивов гранитоидов в качестве конечного продукта дифференциации базальтовой магмы. Он развил теорию о существовании двух первичных магм: базальтовой и гранитной, образующих самостоятельные очаги, в пределах которых происходит дифференциация.

Многочисленные фактические данные, полученные при изучении условий образования магматогенных месторождений полезных ископаемых не находили объяснения с позиции этих представлений.

Д.С. Коржинский ввел понятие и разработал концепцию магматического замещения в процессе эволюции сквозьмагматических или трансмагматических флюидов глубинного происхождения. Возникновение ювенильных флюидов он связывал с дегазацией мантии. Продвижение трансмагматических флюидов происходит по зонам глубинных разломов. При этом движение теплового флюидного потока опережает продвижение магмы.

Механизм замещения выглядит следующим образом:

- проникая по зонам разломов высокотемпературные флюиды, состоящие из H₂O, CO_2, H_2,CO, F₂, Cl_2, CH_4, N₂, S₂, вступают в реакцию с окружающими породами;

- происходит замещение без перехода в жидкую фазу, то есть магматогенное

замещение, когда формируются минералы и структуры магматических пород;

- в дальнейшем происходит частичное или полное плавление пород с образованием магматических очагов, которые могут или оставаться на месте или отжиматься по зонам тектонических нарушений.

Этот механизм был подтвержден экспериментально. При этом велика роль воды в составе флюида. Чем выше ее давление, тем ниже температура плавления (кристаллизации) минералов и выше растворимость воды в расплаве, и больше подвижность расплава-раствора.

Так при увеличении давления воды от 1000 до5000 бар наблюдается понижение температуры плавления:

-у диопсида на 100⁰ С;

- у анортита на 300⁰ С;

- у альбита на 375⁰ С.

Меньше всего давление воды влияет на температуру плавления магнезиальных темноцветных минералов и более значительно понижает у лейкократовых. Исходя из этого, повышение давления Н₂О в наиболее легкоплавких составах магм темноцветные минералы должны вытесняться лейкократовыми.

Эти представления наиболее полно и непротиворечиво объясняют механизм становления и эволюции крупных гранитоидных массивов.

В целом по влиянию на кристаллизацию кислых магм компоненты флюидов располагаются в следующий ряд: CO₂ – NH₃ – SO₃ – H₂O – P₂O₅ – HF – Li₂O – B₂O₃.

В этом ряду последовательно нарастает растворимость компонентов в кислых магмах (магмафильность) и их особенность понижать температуру их кристаллизации. Одновременно снижается их «отделяемость» от расплавов. Компоненты, располагающиеся в начале ряда, концентрируются преимущественно во флюидной (газовой) фазе. Компоненты, располагающиеся в конце ряда, концентрируются в алюмосиликатных расплавах и уже при низком и умеренном давлении входят в состав расплавов в значительном количестве, существенно снижая температуру кристаллизации. Обогащение кислых расплавов водой, фтором и бором подтверждается масштабными проявлениями пневматолитово-гидротермальных постмагматических процессов вокруг гранитоидных массивов, при которых образуются разнообразные фториды и бораты.

При переходе от основного магматизма к среднему и кислому отмечается снижение температуры и усиление кислотных свойств трансмагматических растворов с повышенной химической агрессивностью по отношению к замещаемым породам. Поэтому развитие среднего и кислого магматизма сопровождается усилением процессов магматического замещения огромных объемов пород различного генезиса. Происходит ассимиляция – процесс полной переработке вмещающих пород, контактирующих с магмой или попадающих в магму в виде обломков (ксенолитов).

Химический и минеральный состав горных пород

Химический состав горных пород определяется так называемыми петрогенными элементами, содержания которых превышает 1%. Химический состав является одним из существенных признаков магм и имеет важное значение при определении эффузивных пород, которые обладают неполнокристаллической или стекловатой структурами, вследствие чего затруднена их диагностика по минеральному составу при изучении шлифов под микроскопом.

Раздел петрографии, изучающий особенности химического состава отдельных пород и их естественных рядов называется петрохимией. Все химические элементы по отношению к магматическим породам подразделяются на главные (петрогенные), второстепенные (входят в состав акцессорных минералов), микроэлементы (определяют геохимическую и металлогеническую специализацию).

Основное значение имеет SiO₂, благодаря чему магматические породы являются силикатными. Содержание SiO₂ в них варьирует от 35 до 75 весовых %.

Наиболее распространенными на материках являются два типа пород: базальты – 47-53% SiO₂ и граниты – 73-78% SiO₂. В породах среднего состава содержание SiO₂ варьирует от 53 до 64%.

Резкое преобладание среди эффузивных пород базальтов и малая распространенность риолитов (70% SiO₂) объясняется вязкостью расплавов, богатых SiO₂, которая препятствует излиянию на поверхность, а также спецификой кислого магматизма в целом.

Большое значение для формирования магматических горных пород, особенно кислого состава, имеют летучие компоненты: H₂O; CO₂; HF; HCl; H₂S; SO₂; B₂O₃; CH₄ и др.

Минеральный состав магматических пород определяется химическим составом магмы, а форма проявления минералов (размеры, морфология, идиоморфизм) определяется условиями кристаллизации магматического расплава. Медленное охлаждение с сохранением летучих компонентов способствует образованию полнокристаллических пород. Быстрое охлаждение ведет к образованию неравномерно-зернистых, скрытокристаллических или стекловатых пород.

По роли в составе магматических пород выделяют главные (или существенные), второстепенные (или несущественные) и вторичные (или эпигенетические).

Главные минералы определяют структурно-вещественные параметры породы. По ним идентифицируют горную породу. Например, в граните главными минералами являются полевые шпаты, кварц и биотит. Исчезновение или резкое уменьшение количества одного из них отражается на наименовании породы.

По химическому составу и окраске выделяются две группы главных минералов:

1. Салические минералы, называемые по главным элементам кремнию (силицию) и алюминию, входящим в их состав. Это главным образом алюмосиликаты натрия, кальция и калия – полевые шпаты, фельдшпатоиды и кварц. Они обычно светлоокрашены, в шлифах всегда бесцветны, поэтому их называют лейкократовыми (от греч. лейкос – бесцветный).

2. Фемические (мафические) минералы имеют высокое содержание магния и железа. Получили название от начальных букв слов феррум и магний. Сюда относятся оливин, пироксены, амфиболы, биотит. Их называют цветными, темноокрашенными или меланократовыми.

Среди главных минералов в магматических породах преобладают полевые шпаты, они входят в состав большинства магматических пород. Среди полевошпатовых разновидностей выделяются граниты, диориты, габбро, сиениты и др.

Деление магматических пород на семейства проводится главным образом по количеству и составу полевых шпатов. Кварц и фельдшпатоиды указывают на пересыщенность или недосыщенность пород SiO₂. Основные или ультраосновные типы пород выделяют по составу темноцветных минералов.

Второстепенные минералы присутствуют в незначительных количествах – менее 1% и не влияют на состав и название пород. Зачастую они проявляются в виде акцессорной рассеянной вкрапленности. Это такие минералы как циркон, монацит, апатит, рутил, сфен, ильменит, магнетит, хромит и другие. Проявление акцессорной минерализации типоморфно (свойственно) для определенного типа пород. Хромит для перидотитов, циркон и монацит для гранитов. Акцессорная минерализация определяет геохимическую и металлогеническую специализацию магматических пород.

Вторичные (эпигенетические) минералы проявлены достаточно широко во всех типах магматических пород, особенно в породах кислого состава. Это связано с эволюцией постмагматических флюидов, образующихся при дегазации кислой магмы (отделения летучих компонентов) в процессе ее остывания.

К ним относятся: мусковит, кварц, альбит, калишпат, актинолит, цоизит, скаполит, пренит, пумпеллиит, гранат, диопсид, турмалин, флюорит и другие. Магматические породы претерпевают пневматолитово-гидротермальные изменения в различной степени. Полно проявленные гидротермалиты контролируют разнообразные полезные ископаемые.