Геохимия магматических процессов.

Основные сведения по геохимии магматических процессов дают изверженные породы, современный вулканизм или эксперименты при высокой температуре и давлении.

Магматические процессы приурочены к земной коре и части верхней мантии. При вулканических извержениях магма достигает земной поверхности, что позволяет получить представление о специфике магматического процесса.

В представлениях о происхождении основной магмы существует много точек зрения. Остановимся на двух из них:

• основная магма образуется из базальтового слоя и все разнообразие основных пород связано с ее дифференциацией;

• источником основной магмы служит верхняя мантия; всеми признаваемая неоднородность верхней мантии объясняет разницу в химическом составе основных магм, а глубина образования магмы (70 – 200 км) соответствует глубинам верхней мантии.

По А. Рингвуду (1982), составу верхней мантии отвечает смесь трех частей ультраосновных пород и одной щелочного базальта. Эту смесь ученый назвал пиролитом (пироксен-оливиновая порода), которая при подъеме к поверхности частично расплавляется, образуя базальтовую магму и остаточный нерасплавленный перидотит. Базальт представляет собой легкоплавкую фракцию мантии, которая поднимается вверх и является исходным материалом земной коры, большинства типов горных пород. Магма делится на толеитовую (известково-щелочную) и оливин-базальтовую (щелочную) и может последовательно трансформироваться в габброидную, диоритовую и гранитную магму.

Возможное образование магм различного состава может быть объяснено фракционной кристаллизацией базальтовой магмы, отделением остаточных магм различных типов и ассимиляцией материала разного состава, отделением летучих веществ. Очаги гранитоидного магматизма залегают на глубине 8–25 км, базальтового – 50–500 км.

Геохимия магматических процессов тесно связана с температурой, давлением и концентрацией раствора. При понижении температуры происходит выделение тепла и кристаллизация магмы. Температура магмы колеблется в пределах 900–1200 °С. Повышение давления приводит к уменьшению объема и повышению плотности магмы. Если повышается концентрация магмы, то происходит переход ее в твердую фазу, при понижении – сохраняется ионная жидкая фаза.

В магматических процессах А. Е. Ферсман (1938) выделил геофазы – отрезок времени в длительных геохимических процессах, характеризующийся более или менее определенным комплексом минералов и связанных с ними элементов. Выделяются следующие геофазы процессов при понижении температуры магмы:

А – магматический, выше 900 °С;

B–C – эпимагматический (800 °С) – пегматитовый (700 °С);

D–E–F–G – пневматолититовый, 600 – 500 °С;

H–I–K – гидротермальный, 400–50 °С;

L – гипергенный, ниже 50 °С.

При кристаллизации расплава минералы выделяются в определенной последовательности.

В кристаллизационной стадии дифференциации магмы идет образование трех самостоятельных комплексов: твердого остатка породы, остаточного расплава и ряда погонов – дистиллятов. Остаточный расплав превращается в пегматитовый расплав, а дистилляты – в пневматолиты, которые при охлаждении дают горячие водные растворы и их осадки – гидротермалиты.

В кристаллизации магмы выделяют следующие последовательные этапы: протокристаллизацию, главную и остаточную кристаллизацию:

1.Протокристаллизация – образование наиболее ранних продуктов кристаллизации из расплава, флюида или раствора. Происходит образование темных и устойчивых минералов. По Г. Боуэну, кристаллиза-

ция расплава начинается с образования наиболее тугоплавких, богатых Mg и Fe (фемических) силикатов. Элементы: Mg, Si, O, Ti, Fe, Cr, C, S, Ca, Ni, Pt, Ru, Os.

2.В период главной кристаллизации (мезокристаллизации) по мере падения температуры в породах увеличивается содержание Ca – Mg силикатов и алюмосиликатов Ca, Na, K. Выделяются распространенные минералы (плагиоклазы, слюды, амфиболы, калиево- и натриевые полевые шпаты).

3.Остаточная кристаллизация (телокристаллизация) приводит к образованию кислых пород, обогащенных редкими элементами и летучими компонентами. Характерны четные химические элементы (O,Si) и резко возрастает роль нечетных (Al, K, Na), усложняется структура основных породообразующих минералов. При остывании продуктов остаточного расплава образуются пегматиты. Наиболее широко распространены гранитные пегматиты с температурой кристаллизации 700–850 °С.

Таким образом, последовательность кристаллизации зависит от термических и кристаллохимических свойств реагирующих веществ и их количественных отношений в расплаве.

 

Свойства и состав магмы.

Магма (др.-греч. μάγμα — месиво, густая мазь) представляет собой при­родный, чаще всего силикатный, раскаленный, жидкий расплав, воз­никающий в земной коре или в верхней мантии, на больших глубинах, и при остывании формирующий магматические горные породы. Излившаяся магма — это лава.

Магма представляет собой гетерогенный силикатный расплав. Содержит около 5 % воды, в неизмененных магматических породах редко превышает 1 %. При высоком давлении летучие компоненты находятся в подвижном состоянии. Как многокомпонентная система магма хорошо растворяет породообразующие оксиды редких элементов (Li2O, Rb2O, BeO, ZrO2, Ga2O3, Nb2O5 и др.).

Чем больше компонентов в силикатном расплаве, тем ниже температура его остывания и меньшая вязкость, что ведет к повышению реакционной способности силикатного расплава и скорости диффузии компонентов реакции.

Усилению электролитической диссоциации силикатов содействует высокая диэлектрическая постоянная расплавленной кремниевой кислоты. Среди элементов магмы встречается ионная и ковалентная связь, образуются комплексные ионы типа AlSiO4, AlSi3O8. В расплавах присутствует O^2- и его концентрацией пользуются как индикатором щелочности расплава.

Магма характеризуется кислыми или основными свойствами. По убыванию основности (щелочности) катионы образуют ряд: Cs > Rb > K > Na > Li > Ba > Sr > Ca > Mg > Fe. Чем крупнее анион при одном и том же заряде, тем легче он отрывается от катиона и сильнее у него кислотные свойства. Дальнейшее возрастание кислотных свойств происходит при переходе от силикатов к алюмосиликатам (AlSiO4, AlSi6O6, AlSi3O8): Si > B > P > Al. Снижение основности оксидов повышает кислотность и подвижность силикатного расплава и приводит к расслоению его на две несмешивающиеся жидкости. Летучие компоненты повышают кислотность и подвижность силикатного расплава. В процессе дифференциации происходит отжим жидкой фазы от породы, а при кристаллизации в расплаве увеличивается количество SiO2, летучих соединений и воды, уменьшается содержание оснований. На ранних стадиях выкристаллизовываются темноцветные минералы (пироксен, амфибол, биотит), позже – светлые полевые шпаты, кварц.

В кислом расплаве окислительно-восстановительный потенциал выше, чем в щелочном. Поэтому в кислой среде элементы стремятся восстановиться, а в щелочной – окислиться.

Вязкость магмы вызывается следующими геохимическими особенностями. Ультраосновные и основные магмы менее вязкие, так как оксиды образуют форму, близкую к шарообразной. Кислые магмы вязкие, так как кремниевая кислота может быть представлена в них в виде тетраэдра, замк нутых колец, цепи, ленты, т. е. длинных, с трудом поворачивающихся для полимеризации в расплаве молекул. Если на место атома кислорода становятся F, Cl, OH, то цепь укорачивается и легче идет образование кристаллической решетки.

Вязкость повышается в расплавах, обогащенных Al2O3, частично Na2O и понижается с увеличением содержания FeO, MnO, MgO, особенно летучих соединений (H2O, CO2, HF, HСl, H2S, B2O3, WO3). Подвижность ионов зависит от их положения в структуре силикатного расплава. Подвижны ионы с «дальней структурой» и меньшей энергией связи, поэтому щелочные металлы более подвижны.

Для магмы характерны два типа массопереноса: диффузия и конвекция. Важное значение в массопереносе имеют газовые растворы – флюиды. Согласно Ф. А. Летникову (1985), основой всех эндогенных флюидных систем служат углерод и водород. В связи с этим он различает С- структуры и Н-структуры.

Углеродные структуры встречаются в глубинных разломах и зонах с углеродной спецификацией флюидов. Вследствие эволюции этих систем образуются карбонатиты, кимберлиты, щелочные породы с высоким содержанием карбонатов, углеводородов и графита. С ними связаны месторождения алмазов, Ta, Nb, Zr, Tr.

Для водородных структур характерна H2O в флюидах и меньшая глубина залегания магм. Образуются породы кислого и основного состава и рудные месторождения. В чистом виде такие структуры не существуют. Для летучих компонентов основных магм характерен CO2, для кислых – H2O.

Магматические минералы при кристаллизации удерживают изоморфно много примесей. Поэтому их формулы сложные.

Магма состоит из обрывков полимерных цепей силикатных и алюмосиликатных анионов. Чем выше температура магмы, тем меньше этих групп. В деполимеризации ионов участвует H2O и F. Газы понижают температуру ее плавления. В магме удерживаются углеводороды, битумы, преобладают сильные катионы (Na+, K+, Ca+, Mg2+) над сильными анионами (Cl–, F–, OH–, CO32–, O2–), что создает преобладающую слабощелочную среду.