Магматизм и магматические горные породы

Магматизм и магматические горные породы

Магма - это вещество Земли в расплавленном жидком состоянии. Она образуется в Земной коре и верхней мантии в интервалах глубин 30-400 км.

По составу - это силикатный расплав + атомы растворенных металлов и растворенные газы.

Из магматического очага магма движется к поверхности Земли. При этом ее внутреннее давление и температура понижаются, начинается процесс кристаллизации и переход из жидкого в твердое состояние. Образуются магматические горные породы. Это общая схема магматического процесса. В свою очередь в нем выделяют два типа (или две ветви).

I. Интрузивный магматизм - процесс внедрения магмы в вышележащие толщи и ее кристаллизация в земной коре не достигая поверхности на разных глубинах. Для этого процесса характерно медленное снижение температуры и давления, кристаллизация в замкнутом пространстве. Магматические породы состоят из полностью раскристаллизованных зернистых агрегатов породообразующих минералов. Такие магматические породы называются интрузивными.

II. Эффузивный магматизм или вулканизм - процесс проникновения магмы в земную кору и выход ее в жидком расплавленном состоянии на поверхность Земли. При этом, происходит резкое снижение t и P в расплаве и от него отделяются растворенные газы. И уже такой расплав называют лавой. При резком снижении t и Р происходит быстрое остывание лавы и переход ее в твердое состояние. При этом кристаллизоваться успевают немногие минералы и образуются породы неполнокристаллически е - эффузивные.

Химический состав магматических пород принято записывать в оксидной форме. Если общее количество минерального вещества в горной породе принять за 100%, то 99% в них представлены силикатами, состав которых определяют 12 оксидов - SiO2; TiO2; Al2O3; Fe3O4; Fe2O3; MnO, CaO, MgO, Na2O; K2O; H2O; P2O5. Эти оксиды называют петрогенными, и их количество в составе магматических горных пород достигает 99,5%. Количественное соотношение между оксидами может изменяться, а это в свою очередь отражается на видовом составе породообразующих минералов, а значит на разнообразии разновидностей магматических пород. В тоже время было отмечено, что в каждой из разновидностей магматических пород количественное соотношение петрогенных оксидов является стабильным в определенных интервалах. Поэтому в основу их классификации положен химический состав, а ведущим признаком в ней является содержание SiO2. Все породы по содержанию кремнезема делятся на: ультраосновные, основные, средние и кислые. Содержание SiO2 возрастает от ультраосновных пород к кислым (демонстрация табл.) и определяет не только разный минералогический состав и химические свойства, но и физические свойств а - такие как плотность, температура кристаллизации, вязкость расплава. Последнее свойство определяет способность расплава к текучести, а следовательно с разной скоростью перемещаться и удаляться от очага, т.е. подвижностью. Наиболее подвижными являются магмы ультраосновного состава, соответственно кислые - более вязкие и менее подвижные.

Разделение магмы на составные части по химическому составу или дифференциация магмы происходит различными путями.

I. Считается возможным разделение магмы разного состава - у льтраосновной, основной и кислой.

II. Кристаллизационная дифференциация - обусловлена различием в температуре кристаллизации породообразующих минералов. Это явление обосновано английским ученым Н. Боуэном, который сгруппировал породообразующие минералы в две серии. В первой (прерывной) помещены темноцветные минералы оливин, пироксены (ромбический и моноклинный), роговая обманка и биотит; а во второй (непрерывной) сери и - полевые шпаты: плагиоклазы (от основных к кислым) и калиевый полевой шпат. В каждой серии последовательность кристаллизации минералов связана с понижением температуры магматического расплава, которая убывает от оливина к биотиту. Из схемы реакционной серии Боуэна (плакат) видно как последовательная совместная кристаллизация влияет на разделение магматических пород по химическому и минеральному составу, а также позволяет судить об основных минеральных ассоциациях породообразующих минералов.

III. Дифференциация расплава по плотности называется ликвация. Этот процесс приводит к расслоению единого расплава на части отличающиеся по плотности: в нижней части как более плотные (или тяжелые) формируются породы ультраосновного и основного состава. Часто они сопровождаются ликвацией сульфидно-оксидной массы от силикатной. Так образуются ликвационные месторождения Cu-Ni руд. Выше этой части формируются породы среднего состава, а в верхней части - кислого. Яркий пример такого формирования - Бушвельдский интрузивный массив в ЮАР.

IV. При движении магмы от магматического очага к месту кристаллизации часто происходит захват и переплавление магмой встречаемых ею пород. Это явление называется ассимиляцией, и оно тоже может стать причиной дифференциации магмы.

При снижении температуры и кристаллизации магмы от нее отделяются растворенные в расплаве минерализованные газы (флюиды) и растворы, которые определяют постмагматические процессы, среди которых кратко рассмотрим:

1. Пегматитовый - отделение остаточного расплава и газов-минерализаторов. Их кристаллизация происходит после остывания и кристаллизации основной части магмы на периферии интрузивного тела или даже за его пределами. В результате образуется своеобразная горная порода, в которой породообразующие минералы достигают больших размеров, часто образуют хорошо ограненные кристаллы и друзы кристаллов.

2. Пневматолитовый процесс-воздействие отделившихся от магмы газов (пневма) на окружающие породы. В результате этого воздействия происходит образование новых минералов, в том числе рудных. Так образуются месторождения вольфрамита и касситерита в породах при воздействии на них термальных газов гранитной интрузии.

3. Гидротермальный процесс - отделение минерализованных газов и растворов от остывающего интрузивного тела и перемещение их по трещинам в окружающие породы. При этом происходит снижение давления и температуры гидротермальных растворов и отложение из них минералов по трещинам с образованием жил. Гидротермальные жилы могут формироваться на разном удалении от интрузивного тела, как вблизи контакта, так и на несколько км от него. Минеральный состав жил очень разнообразен и при достаточной концентрации в них полезных компонентов они рассматриваются как месторождения полезных ископаемых на золото, серебро, ртуть, олово и др.

Образующиеся при остывании магмы интрузивные тела разделяются по глубинам образования и по форме (см. фото).

Батолиты - глубинные, наиболее крупные тела (размеры достигают сотен км).

Шток - отличается от батолита меньшими размерами и часто образуется как ответвление от батолита или на некотором удалении от него.

Интрузивные тела меньших размеров разделяются по условиям залегания во вмещающих породах на согласные и секущие. Согласные тела формируются между пластами пород - это силлы, лакколиты и лополиты.

Если магма застывает в трещинах пересекающих напластование пород, то образуются секущие тела - это жилы и дайки. Для них характерна небольшая мощность (несколько м) и значительная длина (до нескольких км). Пример - Материнская дайка в Южной Африке.

Эффузивный магматизм тоже можно рассматривать как несколько последовательных процессов.

1. Излияние лавы и сопутствующих продуктов и образование вулканических пород. Скорость движения или подвижность лавы зависит от ее химического состава. Лавы основного состава с t~1200 о наиболее подвижны. Они образуют лавовые потоки и покровы, удаляясь от центров извержения на несколько км. Лавы кислого состава вязкие и малоподвижные.

Характер отделения газов от магмы зависит от степени ее насыщенности ими. Как правило, отделение газов имеет взрывной характер. При этом увлекаются не застывшие частицы лавы, которые, застывая в воздухе, дают твердые продукты извержения - бомбы, лаппили и пепел. Твердые продукты извержения в зависимости от размеров могут вместе с газами уноситься на различные расстояния. Бомбы - крупные куски застывшей лавы перемещаются недалеко от кратера вулкана. А вот пеплы - мельчайшие частицы лавы, размером до 1 мм, могут образовать пепловые тучи (наподобие пылевых) и уноситься газами на несколько км. Смешиваясь с парами воды, они оседают вместе с ливнями и иногда это приводит к катастрофическим последствиям.

2. Выделение газов предшествует и сопровождает извержение лав и может продолжаться после прекращения извержения. Часто вулканическая деятельность не сопровождается излиянием лав, а представляет только выбросы газа и пепла. В зависимости от состава вулканические газы подразделяются на:

· фумаролы - HCl, HF, SO4; CO, CO2; B и т.д.

· сольфатары - SO2; H2S; CO, CO2; H2O, N, CH4

· мофетты - преобладает в составе углекислый газ.

Вулканические газы, остывая, превращаются в твердое вещество и могут представлять месторождения серы, борной кислоты, карбонатов и др.

3. Поствулканические процессы - это процессы, связанные с затуханием активного вулканизма. Продуктами выделения являются пар и горячая вода. Вылетая из недр, периодически и под большим напором они образуют гейзеры. При отсутствии напора пар а - образуются термальные источники.

Типы вулканизма, географию, причины вулканизма - самостоятельно (см. фото).

Характеристике магматических пород.

1. Минеральный состав - минералы подразделяют на породообразующие (главные и второстепенные) и акцессорные.

Породообразующие минералы - составляют>90% объема породы и представлены главным образом силикатами:

· полевые шпаты, кварц, нефелин - светлоокрашенные,

· пироксен, оливин, амфиболы, слюды - темноцветные.

В разных по химическому составу породах один и тот же минерал может быть главным или второстепенным.

Акцессорные минералы составляют, в среднем ~1% объема породы, и представляют: апатит, магнетит, циркон, рутил, хромит, золото, платину и др.

Строение магматических пород - включает понятия структура и текстура.

Структура горных пород (от лат. structura-взаиморасположение, соотношение, связь) - это обобщенный показатель внутреннего строения и взаимоотношения зерен минералов в горной породе (плакат). Чтобы определить структуру нужно знать размеры и форму зерен минералов, взаимное их расположение, степень кристалличности.

Текстура - способ заполнения пространства и рассматривается как внешний облик пород. Например, при кристаллизации основных пород может происходить обособление в пространстве темноцветных и светлоокрашенных минералов. И тогда порода может выглядеть пятнистой или полосчатой, т.е. это и будет текстура. Типы структур и текстур представлены в витрине в коридоре - ознакомиться.

Классификация магматических пород

В основу классификации положены признаки - химический состав и генезис. По химическому составу и в частности по содержанию кремнезема SiO 2 все породы делятся на:

· ультраосновные SiO2 >45%

· основные SiO2 до 45-52%

· средние SiO2 до 52-65%

· кислые SiO2 до 65-75%

В свою очередь среди этих групп каждая подразделяется по генезису на интрузивные и эффузивные.

Поэтому в литературе в каждой из групп пород по химическому составу можно встретить двойное название пород - по интрузивному представителю этой группы и его эффузивному аналогу. Например, породы кислого состава - это группа гранита-липарита, основного - группа габбро - базальта и т.д.

Интрузивные породы могут подразделяться по глубине формирования, а эффузивные - по времени на палеотипные (палео - древние) и кайнотипные (kainos-новый, т.е. продукты современного вулканизма.

От ультраосновных к кислым породам меняется соотношение в них между минералами темноокрашенными и светлоокрашенными. Это отражается на общем цвете пород-от темных и темно-зеленых через серые (диорит) до светлых и яркоокрашенных гранитов.

Магматизм и геодинамика главных возрастных этапов истории Земли

Геодинамика изучает глубинные силы и процессы, возникающие в результате эволюции Земли как планеты и обусловливающие движение масс вещества и энергии внутри Земли и в верхних твердых ее оболочках. В этом смысле взаимосвязи магматизма и геодинамики очевидны. Ясно также, что магматизм может служить индикатором тех геодинамических обстановок, в которых он возникает.

В 90-х годах в лаборатории общей петрологии ИГЕМ РАН концепция связи геодинамики и магматизма разрабатывалась особенно интенсивно. В рамках этих разработок в последние годы аккумулированы исследования по таким приоритетным направлениям как «Проблемы докембрия», «Познание глубинного строения Земли», «Геология окружающей среды».

Результаты, полученные ИГЕМ РАН в 1991-1997 гг., относятся к четырем историко-геологическим «срезам»: архейской, протерозойской, мезозойской и концу кайнозойской эрам. В каждом из этих исследований применение данной концепции внесло определенный вклад в понимание важнейших геологических процессов и явлений соответствующего отрезка земной истории.

Архейский срез

Для решения проблемы происхождения архейской континентальной коры необходимо ответить на два фундаментальных вопроса:

1) каков ы были тектоническая обстановка и механизмы экстракции первичной коры из мантии и

2) посредством каких процессов эта примитивная кора была затем трансформирована в известную ныне континентальную кору.

Архейские зеленокаменные пояса являются наиболее ранними и хорошо сохранившимися блоками архейской континентальной коры и, таким образом, представляют собой наиболее перспективные объекты для решения указанных задач.

Расшифровка петрологических процессов и истории формирования архейской земной коры проведена на примере эволюции гнейс-зеленокаменных областей (ГЗО). До настоящего времени большинство исследователей рассматривают эти области как единый тип мегаструктур с присущим им единым стилем тектонического развития. Однако полученные нами данные свидетельствуют о значимых различиях в петрологических процессах и последовательности формирования ГЗО, что, вероятно, указывает на разные тектонические режимы их развития.

В Среднеприднепровской ГЗО (рис. 1) установлена комплементарность процессов формирования антиклинорных гранито-гнейсовых блоков и смежных синклинорных зеленокаменных поясов, а также синхронность заложения последних на всей территории области. Около 3,20 млрд. лет назад происходило накопление самой ранней составляющей гнейсовых блоков - бимодальной базальт-дацитовой толщи и базальт-коматиитовых толщ низов разреза зеленокаменных поясов. 3,12-3,10 млрд. лет назад в бимодальные толщи гнейсовых блоков внедрялись небольшие интрузии гранитоидов, а в зеленокаменных поясах происходило накопление дацитриолитовых толщ и внедрение комагматичных им обрамляющих гранитоидных плутонов. Позже, 3,07-2,94 млрд. лет назад, породы гнейсовых блоков претерпели структурно-метаморфическую переработку и мигматизацию, а в смежных зеленокаменных поясах накапливались осадочные толщи. Петрогенетические реконструкции показывают, что исходные расплавы для кислых пород гнейсовых блоков и зеленокаменных поясов образовывались при частичном плавлении базитового субстрата, близкого по изотопно-геохимическим характеристикам к мантийному источнику базальт-коматиитовых расплавов, на глубинах до 30 км и в интервале глубин 40-60 км.

Возрастные соотношения и петрогенетические характеристики пород Среднеприднепровской ГЗО отвечают тектонической модели развития этой мегаструктуры на мощной (более 30 км) базитовой коре под воздействием системы малоглубинных конвекционных ячей, порожденных подъемом мантийного плюма (механизм плюмтектоники) (Самсонов и др., 1995).

Иная картина развития восстанавливается для Карельской ГЗО. Здесь вкрест простирания региональной структуры с востока на запад устанавливается последовательное омоложение вулканитов зеленокаменных поясов с 3,40 до 2,80 млрд. лет. Накопление супракрустальных толщ отдельных зеленокаменных поясов было сравнительно быстрым (менее 100 млн. лет).

Источником базальт-коматиитовых расплавов служила сильно деплетированная мантия, в то время как кислые расплавы генерировались за счет смешанных мантийных и кислых коровых источников. Имеющиеся данные предполагают формирование Карельской ГЗО в ходе латеральной аккреции разновозрастных зеленокаменных поясов с их гранитоидным обрамлением, что имеет ряд аналогий с механизмом роста современной континентальной коры в островодужных системах (механизм плейтектоники).

Мы предполагаем, что при формировании зеленокаменных поясов Карельской гранит-зеленокаменной области определяющую роль играли два процесса:

1) аккреция океанического плато, сформированного над обширным мантийным плюмом, и

2) аккреция океанической островной дуги в зоне субдукции, близкой по типу к Марианской.

Типичным представителем фрагмента океанического плато, обдуцированного на блок ранней континентальной коры, является Костомукшский зеленокаменный пояс (рис. 2). Установлено, что он состоит из двух тектонически совмещенных блоков: основного-ультраосновного и осадочного. Sm-Nd изотопный возраст коматиитов и базальтов равен 2843±39 млн. лет и близок к U-Pb возрасту цирконов из прорывающих пояс риолитов 2795±29 млн. лет. Коматииты и базальты выявляют геохимические особенности, близкие к таковым в наиболее примитивных вулканитах современных океанических плато (положительные величины ?Nd(T) = +3, обедненность сильно несовместимыми элементами Th, LREE, положительные Nb - аномалии) и коренным образом отличающиеся от океанических и континентальных островодужных вулканитов. Расчеты показали, что изученные коматииты сформировались из расплавов с температурой порядка 1550 °С, что отвечает температуре в области магмогенерации около 1770 °С. Согласно данным Маккензи и Бикля (1988), при плавлении мантии со столь высокой температурой формируется океаническая кора мощностью около 50 км, которая из-за избыточной плавучести не может быть субдуцирована. Блок этой коры, по-видимому, при попытке субдукции был обдуцирован на древнюю континентальную конвергентную окраину и таким образом превратился в новый фрагмент континентальной коры. Мы полагаем, что Костомукшский зеленокаменный пояс был сформирован в тектонической обстановке, типичной для архейских гранит-зеленокаменных областей (Пухтель и др., 1995).

Обзор данных по изученным и другим ГЗО показывает, что возможная смена плюмтектонического режима развития раннеархейских областей (около 3,5 млрд. лет: блок Пилбара, Западная Австралия; Капваальский кратон, Южная Африка) на плейтектонические режимы формирования позднеархейских областей (3,0-2,7 млрд. лет: блок Иилгарн, Западная Австралия; Канадский кратон) происходила постепенно в течение среднего архея.