Короновский Н.В. Общая геология
Подождите немного. Документ загружается.
Глава 15.0. МАГМАТИЗМ
Магматические горные породы, образовавшиеся из расплава - магмы, играют
огромную роль в строении земной коры. Эти породы сформировались разными путями.
Крупные их объемы застывали на разной глубине, не доходя до поверхности, и оказывали
сильное воздействие на вмещающие породы высокой температурой, горячими растворами
и газами. Так образовались интрузивные (лат. «интрузио»- проникать, внедрять) тела.
Если магматические расплавы вырывались на поверхность, то происходили извержения
вулканов, носившие, в зависимости от состава магмы, спокойный либо катастрофический
характер, Такой тип магматизма называют эффузивным (лат. «эффузио»-излияние) , что
не совсем точно. Нередко извержения вулканов носят взрывной характер, при котором
магма не изливается, а взрывается и на земную поверхность выпадают
тонкораздробленные кристаллы и застывшие капельки и осколки стекла – быстро
охлажденного расплава. Подобные извержения называются эксплозивными (лат.
«эксплозио» - взрывать). Поэтому, говоря о магматизме (от греч. «магма»-пластичная,
тестообразная, вязкая масса), следует различать интрузивные процессы, связанные с
образованием и движением магмы ниже поверхности Земли, и вулканические процессы,
обусловленные выходом магмы на земную поверхность. Оба эти процесса неразрывно
связаны между собой, а проявление того или другого из них зависит от глубины и способа
образования магмы, ее температуры, количества растворенных газов, геологического
строения района, характера и скорости движения земной коры и т.д.
Как интрузивные, так и вулканические горные породы содержат крупные залежи
полезных ископаемых и, кроме того, они являются надежными индикаторами
тектонических и геодинамических условий геологического прошлого, что позволяет
проводить их реконструкцию.
15.1. Понятие о магме.
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 (SiО
2
) 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 и т.д.
Рис. 15.1.1. Условия, способствующие плавлению горной породы, превращению ее в
магму и охлаждению магмы, с превращением ее в горную породу
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. Фтор и другие летучие компоненты накапливаются в
расплаве, так как они трудно отделимы от него. “Сухие” расплавы, например известные
всем доменные алюмосиликатные шлаки, кристаллизуются при высокой температуре -
около 1500-1600° С. В то же время природные базальтовые расплавы имеют температуру
кристаллизации 1200-1300° С, а более кремнекислые и еще ниже. Чем вызвана эта
разница?
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.
Таким образом, флюидные компоненты, обладающие высокой растворимостью в
расплавах, т.е. трудно отделяемые от него, понижают температуру кристаллизации
расплава, а компоненты труднорастворимые, наоборот, повышают температуру
кристаллизации. Если в магме содержится много летучих компонентов, которые могут
легко от нее отделяться, то она приобретает способность взрываться, что проявляется в
мощных эксплозивных извержениях вулканов. Отделение летучих компонентов от магмы
происходит обычно в верхних горизонтах земной коры, где давление ниже. Обогащение
одних участков расплава по сравнению с другими флюидными компонентами приводит к
тому, что первые дольше сохраняют жидкое состояние, способствуя появлению
полосчатых текстур и приводя к образованию несмешивающихся расплавов, т.е. к
ликвации. Важно подчеркнуть, что потоки глубинных флюидов, проходя через расплав и
взаимодействуя с ними, изменяют его состав за счет привноса одних и выноса других
компонентов. Таким образом, флюидный режим, различная растворимость
(магмофильность) флюидных компонентов в расплаве, повышение или понижение их
давления оказывают решающее влияние на дифференциацию магматических расплавов,
их вязкость и температуру кристаллизации.
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.
Каким же образом магма превращается в горную породу? Кристаллизация магмы
происходит не мгновенно, а постепенно, с одновременным падением температуры.
Возможны несколько вариантов (рис. 15.1.2). В 1-ом из них охлаждение происходит очень
быстро, расплав переохлаждается и превращается в вулканическое стекло - обсидиан
(точки 0→1→6). 2-ой вариант связан
Рис. 15.1.2. Диаграмма плавкости для твердых растворов плагиоклазового ряда (по
Н.Боуэну). Давление Р = 1 атм. Состав выделившихся из расплава кристаллов
определяется на оси. Точки 1, 2, 3, 4, 5 и 6 обозначают разные стадии кристаллизации
расплава
с медленным охлаждением и кристаллизацией расплава. На диаграмме состояния линия,
соединяющая точки, где в расплаве появляются первые кристаллы, называется
ликвидусом, а линия, соединяющая точки, где полностью исчезает расплав - солидусом.
Между этими линиями находится поле сосуществования расплава и кристаллов. С
падением температуры от точки 0 в точке 1 появляются первые кристаллы, состав
которых отвечает точке 4. При дальнейшем охлаждении эти кристаллы реагируют с
оставшимся расплавом, состав которого движется от точки 1 к точке 2, а состав
кристаллов - от точки 4 к точке 5. Если по каким либо причинам, например, в случае
извержения будет происходить быстрое охлаждение расплава, то возникнут породы с
порфировой структурой, когда в стекловатой основной массе стекла, по составу
отвечающего точке 2 или какой-нибудь другой, будут находиться вкрапленники
плагиоклаза зонального строения. В ядре - кальциевый плагиоклаз точки 4, а во внешней
зоне - натриево-кальциевый плагиоклаз точки 5.
В 3-ем варианте при очень медленном охлаждении расплав и кристаллы успевают
полностью прореагировать между собой, поэтому состав расплава дойдет до точки 3 из
точки 1, а состав кристаллов - до точки 6 от точки 4. Ранние кальциевые плагиоклазы при
реакции с расплавом будут замещаться все более натриевыми. В конце процесса
кристаллизации образуются полнокристаллические породы, сложенные незональным
кальциево-натриевым плагиоклазом точки 6. Последовательность выделения главных
породообразующих минералов из магмы определяется двумя реакционными рядами,
установленными Н.Боуэном в 1928 г. (рис. 15.1.3)
Рис. 15.1.3. Реакционный ряд Боуэна
Из рассмотренного следует, что процессы превращения магмы, даже простого
состава, в горные породы достаточно сложны и на них, кроме охлаждения, сильно влияют,
разные факторы, например, колебания давления воды (Р
Н
2
О
).
Таким образом, магма - это флюидно-силикатный расплав, эволюционирующий
сложным путем, зависящим от большого количества факторов, полный учет которых в
настоящее время невозможен. Следует еще раз подчеркнуть важную роль флюидов в
жизни магматических расплавов, концентрация, состав и магмофильность которых
определяют пути их эволюции и дифференциации. Летучие компоненты препятствуют
полимеризации, т.е. застыванию расплавов, понижая температуру ее кристаллизации.
Наличие легко отделяемых летучих компонентов приводит к вулканическим процессам,
трудно отделяемых - к интрузивным.
15.2. Интрузивный магматизм.
Первичные магмы, образуясь на разных глубинах, имеют тенденцию скапливаться
в большие массы, которые продвигаются в верхние горизонты земной коры, где
литостатическое давление меньше. При определенных геологических и, в первую очередь,
тектонических условиях магма не достигает поверхности Земли и застывает
(кристаллизуется) на различной глубине, образуя тела разной формы и размера -
интрузивы. Любое интрузивное тело, будучи окруженное вмещающими породами или
рамой, взаимодействуя с ними, обладает двумя контактовыми зонами. Влияние
высокотемпературной, богатой флюидами магмы на окружающие интрузивное тело
породы приводит к их изменениям, выражающимся по-разному - от слабого уплотнения и
дегидратации до полной перикристаллизации и замещения первичных пород. Такая зона
шириной от первых сантиметров до десятков километров, называется зоной
экзоконтакта, т.е. внешним контактом (рис.15.2.1).
Рис. 15.2.1. Характер контактов в интрузивном массиве гранитов: 1 – собственно
интрузивный массив гранитов, 2 – вмещающие породы, 3 – зона экзоконтакта (изменение
вмещающих пород), 4 – зона эндоконтакта (изменение гранитов), 5 – провесы кровли
С другой стороны, сама внедряющаяся магма, особенно краевые части магматического
тела, взаимодействуя с вмещающими породами и быстрее охлаждаясь, частично
ассимилируют породы рамы, в результате чего изменяются состав магмы, ее структура и
текстура. Такая зона измененных магматических пород в краевой части интрузива
называется зоной эндоконтакта, т.е. внутренней зоной.
В зависимости от глубины формирования интрузивные массивы подразделяются
на приповерхностные или субвулканические (последнее слово означает, что магма
почти подошла к поверхности, но все таки не вышла на нее,т.е. образовался “почти
вулкан” или субвулкан) -от первых сотен метров до 1,0-1,5 км; среднеглубинные или
гипабиссальные , - до 1- 3,0 км и глубинные, или абиссальные ,- глубже 3,0 км. Подобное
разделение не очень строгое, но в целом достаточно отчетливое. Глубинные породы,
застывавшие медленно, обладают полнокристаллической структурой, а
приповерхностные, в которых падение температуры было быстрым,- порфировой, очень
похожей на структуру вулканических пород.
По отношению к вмещающим породам интрузивы подразделяются на
конкордантные или согласные и дискордантные – несогласные (рис. 15.2.2).
Рис. 15.2.2. Формы интрузивных
тел: 1 – дайки, 2 – штоки, 3 –
батолит, 4 – гарполит, 5 –
многоярусные силлы, 6 –
лополит, 7 – лакколит, 8 –
магматический диапир, 9 –
факолит, 10 – бисмалит
Согласные интрузивы обладают разнообразной формой. Наиболее широко среди них
распространены силлы или пластовые тела, особенно в платформенных областях, где
отложения залегают почти горизонтально. Базальтовые силлы, широко развиты по краям
обширной впадины - Тунгусской синеклизы на Сибирской платформе, где они образуют
многоэтажные системы плоских линзовидных интрузивных тел, соединенных тонкими
подводящими каналами. Мощность силлов колеблется от первых десятков см до сотен
метров. На Сибирской платформе они образуют т.н. трапповую формацию (трап -
лестница, шведск.). Т.к. силлы более прочные, чем вмещающие породы, они выделяются
в рельефе в виде «ступеней гигантской лестницы» (рис. 15.2.3).
Рис. 15.2.3. Триасовые силлы долеритов на р. Нижняя Тунгусска. Восточная Сибирь (фото
Н.В.Короновского)
Силлы часто дифференцированы, и тогда в их подошве скапливаются более тяжелые
минералы, образовавшиеся раньше более легких. Поэтому и состав пород силла на разных
уровнях становится различным - более основным в низу и более кислым - в верху. Для
того, чтобы магма внедрялась в слои, наподобие ножа в листы книги, необходимы
условия тектонического растяжения, как это происходило в Тунгусской синеклизе по ее
краям (рис.15.2.4). За счет внедрения в слоистую толщу множества силлов, увеличение ее
мощности может достигать сотен метров и даже первых км. При этом слои вмещающих
пород не деформируются, а лишь перемещаются по вертикали, как бы «разбухая».
Лополлит (лопос - чаша, греч.) - чашеобразный согласный интрузив, залегающий в
синклинальных структурах и также как и силл, образующийся в условиях тектонического
растяжения, когда магма легко заполняет ослабленные зоны, не деформируя сильно
вмещающие слои.. Размеры лополитов в диаметре могут достигать десятков километров, а
мощность - многих сотен метров. Крупнейшие дифференцированные лополиты -
Бушвельдский в Южной Африке, площадью в 144 000 км
2
и Сёдбери в Канаде.
Чашеобразная форма лополитов связана еще и с явлением проседания субстрата, под
весом внедрившейся магмы.
Рис. 15.2.4. Образование силлов: 1 – при растяжении пластов между ними образуются
ослабленные зоны, куда и нагнетается магма, 2 – образование силлов на краю синеклиз
при опускании последней и растяжении пластов
Лакколиты в классическом виде представляют грибообразные тела, что свидетельствует
о сильном гидростатическом давлении магмы, превышающем литостатическое в момент
ее внедрения. Магма приподнимает вышележащие слои, «накачиваясь» в межслоевое
пространство. Обычно лакколиты относятся к малоглубинным интрузивам, т.к.
«приподнять» мощную толщу пород даже для большой порции магмы затруднительно.
Идеальные грибовидные лакколиты встречаются не так уж и часто. Пожалуй, наиболее
типичный пример - это лакколиты гор Генри в США. Многочисленные т.н. лакколиты в
районе Минеральных Вод на Северном Кавказе или на Южном берегу Крыма, на самом
деле представляют собой каплевидные массивы, напоминающие «редьку хвостом вниз».
Только в верхней части таких «капель» - магматических диапиров, слои залегают
согласно с кровлей интрузива, а далее вниз он их пересекает, т.е. становится несогласным
по отношению к вмещающим породам.
Несогласные интрузивы
пересекают, прорывают пласты вмещающих пород. К
наиболее распространенным несогласным интрузивам относятся дайки (дайк, дейк - забор,
шотл.), тела, длина которых во много раз превышает их мощность, а плоскости контактов
практически параллельны (рис. 15.2.5). Дайки обладают длиной от десятков метров до
многих сотен км, например, Великая дайка Родезии нижнепротерозойского возраста
млн. лет имеет длину км, при ширине км. Естественно предположить, что
образование даек связано с внедрением магмы по трещинам в условиях тектонического
растяжения. Внедрение даек было хорошо изучено в Исландии, где их количество очень
велико в связи с тем, что Исландия представляет собой приподнятую над поверхностью
океана часть Срединно-Атлантического хребта, осевая рифтовая зона которого является
дивергентной зоной, где происходит наращивание океанского дна, его спрединг.
Вертикальные дайки ориентированы перпендикулярно оси минимальных сжимающих
напряжений.
Рис. 15.2.5.Дайка
Иными словами, они ориентированы по простиранию рифтовой зоны. Многократное
внедрение даек приводит к увеличению ширины зоны на суммарную мощность даек.
Магма, внедряясь снизу в толщу пород, действует на них как гидравлический клин,
раздвигая породы в стороны, причем распирающие напряжения быстро уменьшаются к
вершине клина, как показал М.Г.Ломизе. Следует отметить, что на глубинах более 3 км
возникновение зияющих трещин, вследствие большого литостатического давления
затруднено и поэтому только гидроразрыв способен обеспечить внедрение даек (рис.
15.2.6).
Рис. 15.2.6. Действие магморазрыва при внедрении дайки: 1 – малая вязкость магмы, 2 –
большая вязкость магмы. Давление магмы превышает минимальное сжимающее
напряжение всего в 1,2 раза. Чем вязкость магмы больше, тем дайка толще