Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

Поскольку скорость подъема магм высока, то охлаждение рас­плавов, приводящее в конечном итоге к их затвердеванию, проис­ходит главным образом после того, как расплав достиг поверхнос­ти суши или морского дна либо по той или иной причине остановился на некоторой глубине. Основные факторы, которые контролируют скорость охлаждения — это способ теплообмена, градиенты температур, размеры магматических тел, теплофизиче-ские свойства магм и окружающей среды. Магматические тела, по­перечник которых измеряется метрами, охлаждаются до темпера­туры солидуса в течение нескольких часов или суток. Это относится как к лавовым потокам, излившимся на поверхность Земли, так и к трещинным инъекциям, которые затвердевают на глубине в ви­де маломощных даек и силлов. Магматические камеры поперечни­ком в сотни метров и километры охлаждаются значительно медлен­нее. Согласно расчетам, для полного затвердевания таких тел требуются тысячи—сотни тысяч лет.

При очень быстром охлаждении (закалке) силикатные распла­вы, особенно обладающие высокой вязкостью, не кристаллизуют­ся, а превращаются в аморфные стекла, которые могут рассматри­ваться как метастабильные переохлажденные жидкости. Граница между жидким расплавом и твердым стеклом соответствует вязко­сти 10¹² Па*с, при достижении которой заметно меняются градиен­ты физических свойств, зависящих от температуры (в том числе и градиенты вязкости). С течением времени происходит упорядо­чение структуры стекла, которое превращается в агрегат оптичес­ки анизотропных кристаллов. Этот процесс называется девитрифи-кацией, или «старением», стекла.

Обычно продолжительность остывания магматических тел доста­точна для того, чтобы кристаллы начали расти непосредственно из расплава. Форма, размер и последовательность выделения кристал­лов зависят от состава магмы и физических условий затвердевания.-

Форма кристаллов

Равновесная форма кристаллов определяется строением крис­таллической решетки соответствующих химических веществ. Одна-

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

ко реальный габитус кристаллов может существенно отклоняться от равновесного в зависимости от степени переохлаждения расплава (∆Т) относительно температуры ликвидуса: ∆Т=Т_L-T_C,

где Т_L — равновесная температура ликвидуса данного минерала, Т_с- температура, при которой начинается реальный рост кристалла.

При минимальном переохлаждении растут цельные кристаллы с плоскими гранями. Увеличение степени переохлаждения приво­дит к появлению своеобразных скелетных кристаллов, часто весь-ма причудливой морфологии. Например, по экспериментальным данным Г.Лофгрена (1974,1976 гг.) и других исследователей, таблит­чатые кристаллы плагиоклаза образуются при АТ< 40 °С. По мере увеличения степени переохлаждения возникают футлярные (∆Т~ 40-140 °С), дендритовые (∆Т~ 140-190 "С), веерно-сферолитовые (∆Т~ 190-290 °С) и сферолитовые (∆Т ~ 290 °С) формы.

Сферолиты представляют собой радиально-лучистые агрегаты игольчатых или пластинчатых кристаллов с общим центром кристал­лизации (рис. 4.1). Под микроскопом в скрещенных николях в сфе-ролитах виден темный крест, который остается неподвижным при

Рис. 4.1. Сферолиты, сложенные агрегатом вытянутых кристаллов кварца и полевого шпата, в стекловатой основной массе риолитов. Вкрапленники представлены плагиоклазом (Пл), кварцем (Кв) и калинатриевым полевым шпатом (Кпш)

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

Рис. 4.2. Футлярный кристалл плагио­клаза (вкрапленник в андезите). При од­ном николе, длина кристалла около 1 мм

вращении столика. В преде­лах этого креста кристаллы вытянуты вдоль плоскостей колебаний в николях. Фут­лярные кристаллы плагиок­лаза, во внутренних частях которых сохраняется рас­плав, не только получены в лаборатории, но и встре­чаются в магматических по­родах, затвердевших в усло­виях переохлаждения; особенно характерны они для андезитов (рис. 4.2).

Опыты по кристаллизации кварца, выполненные С.Свенсоном и Ф.Фенном (1986 г.), показали, что этот минерал образует кристал­лы с плоскими гранями при ∆Т < 55 °С. При большем переохлажде­нии появляются скелетные кристаллы с характерными бухтообразны-ми углублениями на гранях (рис. 4.3). Такие кристаллы иногда обладают внешним сходством с резорбированными зернами, которые являются результатом частичного растворения кварца в расплаве.

Размер кристаллов

Размер кристаллов зависит от соотношения скоростей возник­новения зародышей кристаллических фаз (скорости нуклеации)

 

а

Рис. 4.3. Скелетные кристаллы кварца с углублениями на гранях. а - объемная форма, по Клокьятти, 1972 г., б, в - плоские сечения. Николи скре­щены, размер кристаллов около 2 мм

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

и роста отдельных кристаллов. Скорости нуклеации и роста явля­ются функциями температуры переохлаждения, причем та и другая скорости при определенных температурах достигают максимума. Максимум скорости нуклеации достигается при большем переох­лаждении расплава по сравнению с максимумом скорости роста (рис. 4.4). Вследствие этого в условиях малого переохлаждения об­разуются редкие и крупные кристаллы, а при большом переохлаж­дении — множество мелких кристаллов.

В однородном расплаве центры кристаллизации возникают за счет случайных флуктуации структуры жидкости (гомогенная нук-леация). Если же в расплаве существуют те или иные неоднородно­сти (мельчайшие твердые частицы, газовые пузырьки и т.п.), то именно они служат затравкой для растущих кристаллов (гетеро­генная нуклеация). Поэтому форма и размеры кристаллов зависят не только от условий охлаждения, но и от начальной температуры и других факторов, определяющих степень однородности исходной магмы. Движение расплава также оказывает влияние на ход крис­таллизации. Если магматическая жидкость механически переме­шивается, то скорость нуклеации резко возрастает, что отражается на форме и размерах кристаллов.

Скорость роста кристаллов из магмы контролируется двумя главными факторами: 1) скоростью диффузионного массообмена на границе твердой фазы и жидкости, при котором одни компоненты идут на построение кристалла, а другие оттесняются в окружающий

∆Т

Рис. 4.4. Зависимости скорости роста кристаллов (сплошная линия) и ско­рости нуклеации (пунктир) от температуры переохлаждения расплава от­носительно равновесного ликвидуса (∆Т)

В области 1 образуется небольшое количество крупных кристаллов, в области 2- мно­го мелких кристаллов, в области 3 кристаллизация затруднена.

4. Охлаждение и затвердевание магматических расплавов

расплав и 2) скоростью диффузии компонентов в самом расплаве, обеспечивающей привнос и вынос компонентов, которые прини­мают участие в процессе кристаллизации. Поскольку скорость теп­лообмена в магмах значительно превышает скорость диффузионно­го массопереноса, то отвод скрытой теплоты кристаллизации обычно не является фактором, лимитирующим скорость роста кри­сталлов.

Скорость диффузии компонентов в жидкости обратно пропор­циональна ее вязкости. Поэтому кристаллизация наиболее вязких кислых магм затруднена, и они часто затвердевают в виде аморфных стекол. В противоположность этому маловязкие расплавы основно­го и ультраосновного состава кристаллизуются достаточно легко, и продукты затвердевания таких расплавов нередко состоят только из кристаллических фаз и не содержат стекла даже при относитель­но глубоком переохлаждении. Присутствие растворенной в магме воды понижает вязкость и увеличивает диффузионную подвиж­ность компонентов. В соответствии с этим степень кристаллично­сти кислых пород, возникших при затвердевании водосодержащих магм, оказывается выше, чем сходных по составу пород, образован­ных при затвердевании «сухих» расплавов.

Согласно экспериментальным данным С.Свенсона (1977 г.), максимальная скорость роста кристаллов кварца, плагиоклаза, ка-линатриевого полевого шпата из гранитного расплава, содержаще­го несколько процентов воды, может достигать 0.01-1.0 мм/сут. При температурах, близких к солидусу гранита, скорость кристал­лизации калинатриевого полевого шпата превышает скорость кри­сталлизации кварца и плагиоклаза в 10-100 раз.

Скорость роста кристаллов плагиоклаза из базальтового распла­ва, заполнившего в 1963 и 1965 гг. лавовые озера Алае и Макаопу-хи на Гавайских островах (глубина озер равна 15 и 83 м соответствен­но), была равна 1.5*10^-4—1.0*10^-3 мм/сут (данные Дж.Киркпатрика,

1977 г.).

Оценки скоростей роста кристаллов при затвердевании магм, полученные на основании анализа распределения минеральных зерен разных размеров в изверженных горных породах (К.Кешмен, Б.Марш, 1988 г.), составляют 10^-3-10^-6 мм/сут. При таких скоро­стях для образования кристалла размером 1 мм необходимо не бо­лее 3-3000 лет. Таким образом, в геологическом масштабе време­ни кристаллизация магм происходит очень быстро.

Часть 111. Магматические горные породы (петрология);