Ковалёв С.Г. (и др.) Общая геология с основами гидрогеологии и гидрологии

Подождите немного. Документ загружается.

291

должна была бы иметь вид кривой

LE'S (рис. 97, б). Эвтектическая точка

этой системы

Е' должна быть смещена в направлении к конечному ком-

поненту SiO

. В действительности, однако, при некоторой строго опре-

деленной температуре

R соединение КАlSi

инконгруэнтно плавится с

образованием жидкости более кремнеземистого состава и лейцита (менее

кремнеземистой кристаллической фазы).

Явление инконгруэнтного плавления объясняется тем, что КАlSi

сам по себе должен был бы плавиться конгруэнтно при несколько более

высокой температуре

K, располагающейся на диаграмме непосредственно

ниже точки

F на линии LE', отвечающей составу этого соединения. Но в

точке

К равновесие между расплавом и кристаллами одинакового состава

КАlSi

оказалось бы метастабильным. Положение этой метастабильной

точки плавления можно оценить в соответствии с приведенным выше

уравнением, продолжив кривую

ЕR до пересечения с вертикальной ли-

нией, отвечающей составу КАlSi

. Эта метастабильная температура

плавления составляет 1200°С. В соответствии с диаграммой (см. рис. 97,

а) некоторая жидкость

О, по составу промежуточная между КАlSi

SiO

, вначале просто охлаждается по линии ОР, затем происходит изме-

нение состава расплава в соответствии с движением по линии

РЕ

, сопро-

вождающееся кристаллизацией альбита. В конечном счете кристаллиза-

ция расплава заканчивается в точке

с одновременным выделением аль-

бита и кремнезема в эвтектических соотношениях. Аналогичным образом

и некоторая жидкость

Q в субсистеме альбит – нефелин должна в конце

концов измениться до состава

. Состав расплава не может перемещаться

из одной подсистемы в другую через «барьер», представленный альбитом.

На диаграмме (рис. 97, б) исходный расплав

О охлаждается до темпе-

ратуры точки

Р, а затем изменяет свой состав вдоль линии РR с кристал-

лизацией лейцита. В моновариантной точке

R сосуществуют три фазы.

При этом лейцит начинает растворяться, тогда как КАlSi

в изобилии

кристаллизуется, чем обуславливается сохранение состава расплава точки

R. Этот процесс выражается уравнением:

(2КАlSi

+ 5SiO

) + ЗКАlSi

→ 5КАlSi

расплав R лейцит калишпат

После полного исчезновения лейцита расплав снова начинает охлаж-

даться, изменяя свой состав по линии

RЕ с кристаллизацией калишпата. В

конечном счете при постоянной температуре

Е происходит одновременно

кристаллизация калишпата и кремнезема. В лейцит-полевошпатовой под-

системе инконгруэнтное поведение КАlSi

обуславливает наиболее

сложную последовательность кристаллизации расплавов по составу,

близких к

О'. В процессе этой кристаллизации состав расплава переме-

щается в поле подсистемы полевой шпат – кремнезем, а заканчивается

292

кристаллизация выделением смеси лейцита и калишпата в точке

R. Если,

однако, весь кристаллизовавшийся лейцит удалялся из расплава (кристал-

лизационное фракционирование) в момент, когда жидкость достигла точ-

ки

R, то последующее изменение состава конечной фракции расплава

должно происходить вдоль линии

РRЕ, т. е. кристаллизация будет осуще-

ствляться так же, как на последних стадиях консолидации исходного рас-

плава состава

О.

Таким образом, исходный расплав состава

О', который вначале был

недосыщен кремнеземом, может в конечном счете в результате фракцио-

нирования обогащаться этим компонентом и на последних стадиях кри-

сталлизации выделять свободный кремнезем. В сильно обогащенных ка-

лием вулканических породах ранние вкрапленники лейцита заключены в

стекловатой основной массе, содержащей избыточный кремнезем.

Кристаллизация твердых растворов. Изменение составов твердых раство-

ров и расплавов, из которых они выделяются в двухкомпонентной системе при

постоянном давлении и температуре

Т, характеризуется уравнением (1-2):













































−

−−

−=

= 1

a,m

∆

∆∆

∆

, (1)













































−

−−

−=

−

−−

−

−−

−

b,m

∆

∆∆

∆

, (2)

где

x и

x – молярные концентрации компонента А в твердой и жидкой

фазах,

∆

∆∆

∆

∆∆

∆

– молярные энтропии плавления компонентов а и b, а

m,a

и Т

m,b

– температуры плавления чистых конечных компонентов, при-

чем

m,a

> Т

m,b.

На рис. 98 отображена кристаллизация минералов ряда оливина; ком-

понент

А – Мg

SiO

(форстерит), а В – Fе

SiO

(фаялит). Расплав состава

О охлаждается до температуры точки L, в которой начинается кри-

сталлизация оливина состава

Р. При дальнейшем охлаждении происходит

одновременное и непрерывное изменение состава расплава и твердой фа-

зы соответственно от

L до М и от Р до S; при этом происходит понижение

температуры от

до T

. Во всех случаях в равновесных условиях суще-

ствуют две гомогенные фазы – твердая и жидкая. Кристаллизация оканчи-

вается с исчерпанием последней фракции жидкости состава

М. В этот

момент состав гомогенной кристаллической фазы отвечает

S. Максималь-

ные расхождения между составом расплава и кристаллической фазы на-

блюдаются при температуре

(Т

m,a

+ Т

m,b

)/2. Резкие различия состава жид-

кой и кристаллической фаз, выявляющиеся по уравнениям (1) и (2), опре-

деляются заметной разностью величин энтропии плавления двух конеч-

ных членов минерального ряда.

293

Рис. 98. Диаграмма равно-

весной кристаллизации рас-

плава в системе Mg

SiO

–

SiO

(по Дж.Ферхугену и

др.)

________________________

Кристаллизация оливи-

нов.

Наибольшее значение

для интерпретации геологи-

ческих соотношений на

диаграмме кристаллизации

оливина (рис. 98) имеет

факт обогащения поздних жидкостей и кристаллических фракций желе-

зом. Поскольку железистые силикаты обычно плавятся при меньших тем-

пературах, чем их магнезиальные аналоги, характерная особенность

фракционной кристаллизации всех силикатных систем заключается в про-

грессивном увеличении отношения Fе/Мg в последовательных фракциях

остаточных жидкостей.

При атмосферном давлении в системе Мg

SiO

– SiO

проявляется инкон-

груэнтное плавление соединений промежуточного состава (пироксена

МgSiO

), что приводит к возникновению несколько более кремнеземистого

расплава (

R на рис. 99) и кристаллов Мg

SiO

. Для этих условий диаграмма

равновесия системы похожа на установленную для системы лейцит – кремне-

зем (рис. 97, б). Эти соотношения использовались при объяснении эволюции

магмы, в конечном счете приводящей к кристаллизации смеси пироксена и

свободного кремнезема. Предполагалось, что бедные кремнеземом расплавы,

например состава

Р форстеритовой части диаграммы, при удалении кристал-

лов оливина должны приобретать состав в интервале

Q – Р. В базальтах уста-

новлены признаки реакции между оливином и расплавом. Рано кристаллизо-

вавшиеся крупные кристаллы оливина обычно бывают корродированы, что

рассматривается как признак реакции с расплавом (это соответствует, напри-

мер, точке

R на рис. 99). Однако, как это теоретически установлено, исходя из

термодинамических соображений, при давлениях свыше 5 кбар МgSiO

начи-

нает плавиться конгруэнтно. Этот факт подтвержден экспериментально. Та-

ким образом, инконгруэнтное плавление в этой системе практически не име-

ет никакого значения для процессов плавления и кристаллизации магнези-

альных пород в верхней мантии. В системе Fе

SiO

– SiO

отсутствует ста-

бильная фаза промежуточного состава, и кристаллизация расплавов в конеч-

ном счете приводит к простой эвтектике.

294

Рис. 99. Диаграмма

равновесной кристал-

лизации расплава в

системе Mg

SiO

–SiO

(по Дж.Ферхугену и др.)

____________________

Плагиоклазы. При

температуре ликвидуса

плагиоклазы образуют

непрерывный ряд

твердых растворов

NаАlSi

(альбит) –

СаАl

(анортит).

Диаграмма фазовых соотношений плагиоклазов при кристаллизации в

условиях атмосферного давления, приведенная на рис. 100, напоминает

такую же диаграмму оливинов (см. рис. 98). В процессе охлаждения рас-

плава происходит следующее: жидкость

→

→→

→

А (охлаждение расплава), А

→

→→

→

С (расплав с кристаллами, состав которых одновременно изменяется в

соответствии с движением по кривой солидуса от

В к D). То же для жид-

кости

Q: Q

→

→→

→

G, а G

→

→→

→

К (расплав с кристаллами, изменяющими состав

от

Н до L). Если при кристаллизации расплава состава Р произойдет

фракционирование жидкости состава

G, отделившейся от кристалличе-

ской фракции состава

Н, то дальнейшее изменение состава расплава уже

будет происходить по линии

→

→→

→

К, а кристаллы одновременно будут

изменять состав по линии

→

→→

→

L. Таким образом, фракционная кристал-

лизация в процессе охлаждения расплава

Р должна приводить к обогаще-

нию поздних жидкости и кристаллических фракций альбитом (по мере

того как они приближаются к

К и L). При давлении воды Р

H2O

= 5 кбар

рассматриваемая диаграмма по облику близка к приведенной на рис. 99,

но температура кристаллизации понижается примерно на 300°С.

Применение диаграмм фазовых равновесий. Диаграммы равновесий

(рис. 96–100), на примере которых выше были рассмотрены термодинами-

ческие особенности плавления и кристаллизации, в действительности стро-

ятся по данным прямого эксперимента. Например, температура кристалли-

зации смеси фаялита и альбита в весовых отношениях 70/30 (точка

Р, рис.

96) определена вилкой двух значений: температурой появления первых

кристаллов при охлаждении расплава и температурой окончательного ис-

чезновения кристаллической смеси того же состава при нагревании. В обо-

295

их случаях кристаллы и расплав в целом сосуществуют в пределах интерва-

ла температур

ЕР. Фазовые диаграммы наглядно отображают следующую

информацию, имеющую важное петрологическое значение:

Рис. 100. Диаграмма равновесной

кристаллизации расплава в систе-

ме NaAlSi

– CaAl

(по Дж.

Ферхугену и др.)

____________________________

1. Последовательность фаз,

которые становятся устойчивы-

ми в процессе охлаждения рас-

плава до комнатной температу-

ры. Такая последовательность

обычно называется «равновес-

ной» кристаллизацией, т. е.,

строго говоря, последователь-

ностью стабильных равновесий.

2. Прогрессивные изменения состава жидкости в случае периодическо-

го удаления в процессе охлаждения кристаллической фракции из неко-

торой специфической исходной жидкости. Удалившиеся кристаллы обра-

зуют новую систему, исходный состав которой отвечает составу расплава

в момент фракционирования. Таким путем можно проследить течение

фракционной кристаллизации любого расплава изучаемой системы.

3. Последовательность стабильных фаз или их ассоциаций в процессе

прогрессивного нагревания кристаллической смеси до полного ее рас-

плавления. Этот ряд по существу имеет обратную направленность от-

носительно двух серий, рассмотренных выше. Периодическое удаление рас-

плава (дифференциальное плавление) по мере увеличения температуры –

процесс обратный по отношению к фракционной кристаллизации.

4. Влияние высоких давлений, появления других фаз (особенно воды)

и вариаций парциального давления кислорода. На диаграммах выделяют-

ся поля, показывающие пределы вариаций состава расплавов, которые

могут сосуществовать с отдельными кристаллическими фазами. Жидкость

в поле, обозначенном «форстерит», может ассоциироваться с кристаллами

этого минерала, тогда как жидкость состава, отвечающего точкам котек-

тической кривой форстерит – пироксен (граница между полями фор-

стерита и пироксена), равновесна с обеими кристаллическими фазами.

Дифференциация магм. В настоящее время признается, что наиболее

296

эффективный механизм магматической дифференциации, т. е. непрерывной

эволюции магм некоторого единого общего состава – это фракционная кри-

сталлизация. Возможны также другие пути дифференциации, например

разделение исходной магмы на несмесимые жидкие фракции (ликвация)

или возникновение резких градиентов концентрации в жидких магмах. Од-

нако обычно этим способам придают меньшее значение. Эксперименталь-

ные данные накладывают следующие ограничения на проблему дифферен-

циации магм:

1. Ранние кристаллические фракции должны состоять из тугоплавких

фаз: магнезиальных оливинов, пироксенов с высоким отношением Мg/Fе

и кальциевых плагиоклазов. Эксперименты при высоких давлениях свиде-

тельствуют, что пироксены в таких фракциях, образующихся на большой

глубине, вероятно, должны быть глиноземистыми, а в некоторых случаях

они, вероятно, ассоциируются со шпинелью (Мg, Fе)

⋅(Аl, Fе)

2. В расплавах, последовательно образующихся за счет базальтовой

магмы, должно происходить прогрессивное увеличение отношений (Nа +

К)/Са, Fе

/Мg и (Nа + К)/Fе

. В низкотемпературных дифференциатах

содержание щелочных полевых шпатов и кварца (или нефелина) должно

возрастать за счет железо-магниевых силикатов (см. рис. 96).

3. В индивидуальных кристаллах плагиоклаза и оливина обычно об-

наруживается концентрическая зональность состава. В плагиоклазах от

центра к периферии зерен увеличивается отношение NаSi/СаАl, а в оли-

винах в этом же направлении возрастает отношение Fе

/Мg. Нормальную

зональность такого типа вполне можно было предвидеть исходя из экспе-

риментальных данных (см. рис. 97 и рис. 100). Эта зональность означает,

что равновесие кристаллов с расплавом частично нарушалось в связи с

небольшой скоростью диффузии ионов в быстро растущих кристаллах и в

прилегающей к ним жидкости. Нередко удается наблюдать обратную или

ритмическую зональность, которая свидетельствует, что в процессе кри-

сталлизации имеются отклонения от простой модели охлаждения распла-

ва при постоянном давлении. Зональность кристаллов изменяет общее

направление эволюции остаточного расплава и таким образом влияет на

процесс дифференциации.

4. На стадии эволюции расплава, когда уже выделилось много кри-

сталлического материала, концентрация воды в нем может достигать таких

значений, что появятся водные кристаллические фазы, например, роговая

обманка и слюды. В конечном счете магма может сильно пересыщаться

водой, и при низких давлениях в ней в результате вскипания будет возни-

кать вторая существенно водная флюидная фаза. Кристаллизация водных

минералов несколько отодвигает во времени стадию вскипания магмы.

5. Остаточные расплавы обедняются малыми элементами, которые мо-

297

гут легко замещать главные элементы в ранних кристаллических фазах.

Так, магний в оливине замещается никелем, Сr

замещает Fе

в силикатах

и железорудных минералах, а в плагиоклазах кальций замещается стронци-

ем. Малые элементы, которые не могут изоморфно входить в состав ранних

кристаллических фаз, должны накапливаться в остаточных расплавах. Эти

элементы могут входить в состав низкотемпературных кристаллических

фаз. Так, Ва

может замещать К в полевых шпатах, а литий и рубидий мо-

гут замещать магний и калий в биотите. Другие же элементы продолжают

иногда концентрироваться в водном флюиде и отделяются вместе с ним при

вскипании на поздних стадиях эволюции магмы. В эту группу входят, на-

пример, В, Ве, Та, Zr, Sn и целый ряд других элементов.

6. Относительные количества остаточных расплавов должны последо-

вательно уменьшаться по сравнению с объемом исходной магмы.

7. Масштаб дифференциации высокотемпературного расплава, напри-

мер базальтового, для которого потенциальный интервал температур

фракционной кристаллизации составляет несколько сотен градусов, дол-

жен быть больше, чем у таких низкотемпературных магм, как гранитная.

Универсальную модель петрогенезиса магматических пород сформули-

ровал Н.Д.Боуэн в классической «Эволюции магматических пород», опуб-

ликованной в 1928 году. В этой концепции роль исходного материнского

расплава приписывается базальтовой магме. Все остальные магмы, в том

числе и гранитная, считаются продуктами фракционной кристаллизации

исходного базальта. Эта концепция как ортодоксальная догма в течение

длительного времени была принята англо-американскими геологами.

Идеи Н.Д.Боуэна подтверждены огромным количеством эксперименталь-

ных данных. Они позволяют удовлетворительно объяснить многие осо-

бенности химизма и минерального состава обычных изверженных горных

пород. В настоящее время никто не отрицает важной роли дифференциа-

ции базальтовой магмы, осуществляющейся посредством фракционной

кристаллизации и приводящей к возникновению более кремнеземистых и

щелочных вторичных магм, частично даже гранитного типа. Однако сей-

час уже нельзя больше признавать дифференциацию базальта как универ-

сальный механизм магматической эволюции.

Магматическая ассимиляция. Применительно к объяснению разнооб-

разия магматических пород некогда очень широкой популярностью поль-

зовались представления об ассимиляции, которые конкурировали с кон-

цепцией магматической дифференциации. В соответствии с этими пред-

ставлениями поднимающаяся магма, особенно в крупных гранитных ба-

толитах, прокладывала себе путь, расплавляя твердые породы земной ко-

ры. При этом происходила ассимиляция вещества этих пород и возникали

расплавы нового состава. Действительно, в краевых частях многих гра-

298

нитных плутонов обнаруживаются многочисленные доказательства ин-

тенсивных реакций между вмещающими породами и магмой. Однако

Н.Д.Боуэн поколебал господствующее ранее представление, что все эти

признаки обусловлены процессом плавления. Его эксперименты создали

два принципиальных ограничения возможности плавления в результате

подъема магмы в состоянии кристаллизации:

1. В момент кристаллизации высокотемпературных фаз магма может

расплавлять лишь породы, состоящие из низкотемпературных минералов.

При постоянном давлении необходимое для такого плавления тепло по-

ступает в результате кристаллизации термически эквивалентных коли-

честв тех фаз, с которыми магма уже находится в равновесии. Таким об-

разом, базальтовая магма может превратить гранит или песчаник в жид-

кость, но в то же самое время из нее должны осадиться термически экви-

валентные количества кальциевого плагиоклаза, оливина или пироксена.

В связи с этим остаточный расплав, не изменяясь в количестве, должен

сильно измениться по составу и стать более «гранитным».

2. Расплав, находящийся в равновесии с низкотемпературными фаза-

ми, не может превратить твердый агрегат высокотемпературных фаз в

жидкость того же состава. Так, гранитная магма, из которой кристалли-

зуются кислый плагиоклаз и роговая обманка, не может расплавить даже

самого малого количества базальта. В результате взаимной диффузии ве-

щества между расплавом и вмещающей твердой породой в последней мо-

гут возникать фазы, равновесные с гранитной магмой, например щелоч-

ные полевые шпаты, роговая обманка и биотит. В результате этого про-

цесса гранитные расплавы соответственно обедняются натрием, калием и

кремнием и, наоборот, обогащаются кальцием и магнием. Кроме того,

отдельные обломки вмещающих пород могут механически рассеиваться в

гранитной магме. Это приводит к загрязнению (контаминации) гранитов,

однако возникающая при этом контаминированная порода по существу

никогда в целом не находилась полностью в расплавленном состоянии.

Главная трудность в проблеме ассимиляции заключена в вопросе о коли-

честве тепла в магме, которое должно обеспечить плавление ассимили-

руемого материала. Это тепло связано с «перегревом» магмы, т. е. с раз-

ностью между реальной энтальпией расплава и его энтальпией в момент

начала кристаллизации. В равновесии с выделившимися из них кристал-

лами жидкости не могут быть перегретыми.

Происхождение магм. Магмы могут возникать двумя путями:

1. Полное или почти полное плавление ранее существовавших пород.

В этом случае наиболее вероятный исходный материал для расплавов –

низкоплавкие коровые породы (песчаники, глинистые сланцы и граниты)

или любые горные породы на очень больших глубинах (например, в ман-

299

тии), где температуры настолько высоки, что независимо от состава пород

вещество находится в состоянии, близком к плавлению.

2. Парциальное плавление (процесс, обратный фракционной кристал-

лизации), при котором низкоплавкие жидкие фракции отделяются от не-

расплавившегося твердого остатка. Если предположения о том, что ман-

тия состоит преимущественно из тяжелых силикатов, обогащенных маг-

нием и железом, правильны, то, очевидно, за счет такого субстрата в ре-

зультате дифференциального плавления могут возникать базальтовые

магмы. С другой стороны, такой же процесс дифференциального плавле-

ния базальтовых (габброидных) пород может приводить к возникновению

андезитовых или риолитовых (гранитных) магм. В любом случае прихо-

дится признавать, что магматическая фракция должна составлять лишь

небольшую долю нерасплавившегося остатка.

Рис. 101. Приближенные

кривые плавления (АВ–

насыщенные водой легко-

плавкие смеси альбита, ка-

лишпата и кварца (идеаль-

ный гранит), DE–смесь аль-

бита, калишпата и воды при

давлениях более 1 Кбар, АС–

безводный гранит, FG–

безводный базальт, HKL–

мусковит или химически эк-

вивалентные продукты его

дегидратации, по Дж.Ферху-

гену и др.)

_______________________

Кривые плавления не-

которых смесей силикатов

на диаграмме температура

– давление (рис. 101) имеют положительный наклон порядка 8–25

град/кбар. Такие магмы при быстром подъеме с глубины могут расплав-

лять выделившиеся из них и взвешенные в них кристаллы, после чего маг-

ма становится перегретой. На диаграмме такому процессу соответствуют,

например, перемещения вдоль линии

МN или РQ. Такие магмы, даже гра-

нитные, соответствующие точке

N, могут ассимилировать низкоплавкий

материал, особенно осадки, обогащенные глинистыми минералами и слю-

дами, а также метаморфические породы, в состав которых входят водные

силикаты, например, слюды и роговая обманка.

300

Максимальный эффект такого рода ассимиляции возможен в довольно

маловероятной ситуации, при которой вмещающие породы сами уже дос-

таточно сильно прогреты и температуры в них близки к точке плавления.

Если мы примем величину удельной теплоемкости для магмы и вмещаю-

щей породы в 0,25 кал/г

⋅

⋅⋅

⋅град, а теплоту плавления в 70 кал/г, то опреде-

ленный объем магмы

N при охлаждении до точки ее кристаллизации Z, т.

е. на 50°C, сможет расплавить вмещающую породу в количестве 15–20%

от объема расплава. Однако величина этого эффекта должна быть умень-

шена, если учесть адиабатическое охлаждение восходящей магмы. Боль-

шая часть наших знаний о плавлении в условиях высоких давлений полу-

чена при экспериментах, проводившихся при постоянно поддерживаемом

высоком давлении воды, эквивалентном общему давлению в системе.

Многие из этих экспериментов были посвящены поискам минимальной

кривой плавления «гранита» (смеси кварца и щелочных полевых шпатов).

На рис. 101 такая минимальная кривая плавления гранита показана лини-

ей

АВ. Роль таких расплавов в плутонических условиях сомнительна. В

большинстве магм содержание воды значительно меньше, чем в распла-

вах, находящихся в контакте с обособленной фазой паров воды, как это

имеет место в упомянутых экспериментах.

§44. Вулканизм

Совокупность явлений, связанных с движением магмы к поверхности

Земли, называется вулканизмом. Если жидкий магматический расплав

достигает земной поверхности, то происходит его извержение, характер

которого определяется составом расплава, его температурой, давлением,

концентрацией летучих компонентов и другими параметрами. Одной из

самых важных причин извержений магмы является ее дегазация. Именно

газы, заключенные в расплаве, служат тем «движителем», который вызы-

вает извержение. В зависимости от количества газов, их состава и темпе-

ратуры они могут выделяться из магмы относительно спокойно, тогда

происходит излияние –

эффузия. Когда газы отделяются быстро, проис-

ходит мгновенное вскипание расплава и магма разрывается расширяю-

щимися газовыми пузырьками, вызывающими мощное взрывное извер-

жение –

эксплозию. Если магма вязкая и температура ее невысока, то рас-

плав медленно выжимается, выдавливается на поверхность, происходит

экструзия магмы. Таким образом, способ и скорость отделения летучих

определяют три главные формы извержений: эффузивное, эксплозивное и

экструзивное. Вулканические продукты при извержениях бывают жидки-

ми, твердыми и газообразными.