Магматические процессы в образовании полезных ископаемых
Магматизм — процесс возникновения в мантии и земной коре магматических расплавов, последующего их подъёма и затвердевания на разных глубинах или извержения на поверхности Земли. Магматизм является одним из главных факторов формирования земной коры. Выделяются следующие основные его этапы: зарождение, подъём и затвердевание.
Жизненный цикл[править | править код]
Зарождение магмы[править | править код]
Магмы выплавляются в интервале глубин от 15 до 250 км при не большом плавлении вещества земной коры и мантии. При этом “… в природных магматических очагах доля жидкой фазы обычно не превышает 20-30%, а во многих случаях составляет всего несколько процентов и менее. … Температура силикатных магм в момент зарождения варьирует от 1800—1600 до 600—500 °C. Максимальные оценки относятся к наиболее глубинным ультраосновным расплавам, возникающим при плавлении перидотитов верхней мантии, а минимальные — к наименее глубинным кислым магмам, образованным в земной коре и обогащенным водой или фтором, которые значительно понижают температуру плавления.” [1]
Выделяют 3 основных механизма зарождения магмы:
1. Нагрев выше температуры плавления глубинного вещества. Причинами эпизодического и локального нагрева, возможно, являются: радиоактивный распад U, Th, K и/или выделение тепла от трения при пластических деформациях.
2. Адиабатический подъём глубинного вещества до линии солидуса и выше.
3. Дегидратация гидроксил-содержащих минералов глубинного вещества. “Распространенными минералами такого рода являются, например, слюды, которые при нагревании выделяют до 4 мас.% воды. Если в магматическом источнике имеется вода, то температура плавления силикатного вещества понижается на десятки и сотни градусов.[1]
Подъём и дифференциация магмы[править | править код]
В областях зарождения за счет меньшей плотности и вязкости расплав выжимается из связной системы межзерновых пор, наподобие того, как выжимается вода из рыхлого осадка на дне моря. Cкопления относительно легкой жидкости обладают некоторым избыточным давлением и начинают пробивать путь наверх, самостоятельно раздвигая стенки ранее существовавших трещин. При этом скорость подъёма не очень вязких магм может достигать километров и даже десятков километров в час. Глубина, до которой может подняться расплав, определяется общим его количеством, соотношением плотностей расплава и вмещающих пород, а также соотношением между температурой и содержанием растворенной воды. [1]
При подъёме магмы она эволюционирует в сторону обогащения более поздних выплавок кремнезёмом и литофильными элементами и обеднения мафическими компонентами (MgO, FenOm) а также прочими преимущественно сидерофильными элементами. Эволюция обусловлена магматической дифференциацией исходно гомогенного расплава, при которой происходит разделение на различные по составу и свойствам фазы. Этот процесс осложняется рядом явлений, среди которых, пожалуй, основным “конкурентом” является ассимиляция магмой боковых пород магмаводов, стенок и крыш магматических камер.
Механизмы дифференциации[править | править код]
1. кристаллизационная дифференциация – процесс разделения на фазы исходно гомогенного расплава, обусловленный последовательным выпадением из расплава минералов со все меньшей энергией связи в кристаллической решетке (кристаллизационный ряд Боуэна). “Обычно такая дифференциация происходит при фракционировании к-лов в результате отделения кристаллич. фракции от магматич. расплава (фракционная кристаллизация). При этом прекращается взаимодействие между к-лами и расплавом. Этот процесс может сопровождаться конвекцией и переносом к-лов в сторону холодных частей магматич. камеры и осаждением их, иногда ритмическим, на ее дне (дифференциация конвекционная). Удаление из расплава к-лов изменяет его химич. состав. Благодаря последовательно-дискретному образованию м-лов, состав расплава изменяется дискретно и продукты каждой последующей стадии кристаллизации расплава будут заметно различаться, как правило, в сторону образования более кислых и легкоплавких г.п.” [2] ;
2. гравитационная дифференциация – процесс разделения на фазы исходно гомогенного расплава в гравитационном поле. Погружение отделившейся от расплава более плотной фазы или, наоборот, всплытие менее плотной. Характерна для ультраосновных, основных и щелочных магм, из-за их относительно низкой вязкости, в связи с малой концентрацией SiO2;
3. диффузионная дифференциация – процесс разделения на фазы исходно гомогенного расплава, обусловленный диффузией ионов или молекул в гравитационном поле, либо в условиях температурного градиента;
4. эманационная дифференциация – процесс разделения на фазы исходно гомогенного расплава, обусловленный эманацией легких элементов. Особенно характерна в протяженных по вертикали магматических колоннах в присутствии растворенных в расплаве летучих компонентов, в частности воды;
5. ликвационная дифференциация – разделение расплава на две несмешивающиеся жидкие фазы.
“Выделение газ. фазы и всплывание газ. пузырьков также приводит к дифференциации магмы, причем, если началась кристаллизация, этот процесс может сопровождаться флотацией к-лов.” [2]
Осложняющие явления[править | править код]
1. магматическая ассимиляция – “поглощение и расплавление магмой пород кровли и стенок резервуара, в результате чего магма подвергается контаминации. М. а. вызывает значительные локальные химические изменения магмы.” [2] Например, при внедрении гранитного расплава в известняки и ассимиляции их заметно увеличивается в расплаве содержание кальция. При кристаллизации будет образовываться не кислый плагиоклаз, что характерно для нормальных гранитов, а более основной. В результате ассимиляции гранитной магмой глиноземистых пород (например, слюдистых сланцев) могут появиться такие высокоглиноземистые минералы, как кордиерит или андалузит; [3]
2. гибридизм – процесс смешения двух разных по составу расплавов (синтексис) или ассимиляции расплавом ранее застывшей магматической фазы. В гибридной магме возможно присутствие реликтов вмещающих пород (ксенолитов) или их отдельных, обычно тугоплавких минералов (ксенокристаллов); [4]
3. десиликация – извлечение кремнезема из расплава за счет связывания его Mg, Ca, Fe вмещающих пород при внедрении магм богатых SiO2 в породы бедные этим компонентом (например, в известняки или ультрабазиты). Это приводит к обеднению расплава кремнеземом и нарушению изначально нормальной пропорции SiO2 и Al2O3. Глинозем оказывается в вынужденном избытке, в связи с чем возникают минералы обогащенные Al, а количество кварца уменьшается вплоть до полного исчезновения. Если при этом количество глинозема оказывается особенно велико, он может выделиться в свободном виде, образуя корунд. [3]
Затвердевание[править | править код]
При затвердевании магматического расплава происходит полная или частичная кристаллизация вещества и образуются твердые тела магматических горных пород. В случаях близповерхностных извержений (вулканизм) характерно формирование пород с порфировыми или порфировидными текстурами, что обусловлено неравновесностью такого процесса. Остывание часто сопровождается процессами автометаморфизма и автометасоматоза, тектоническими явлениями (образованием кальдер и кольцевых структур, в связи с контракцией крупных интрузий и пр.).
Магматизм в мантийно-коровом круговороте вещества[править | править код]
В зонах спрединга происходит подъём и частичное плавление вещества астеносферы. При этом выплавляется относительно легкая базальтовая магма, которая затем извергается в зонах срединно-океанических хребтов и задуговых бассейнов, а относительно тяжелый остаточный расплав перидотита опускается обратно. “Базальтовая магма, разные формы кристаллизации которой дают породы II и III слоев океанской коры, обнаруживает общие особенности состава во всех зонах спрединга, что послужило основанием для выделения особого геохимического типа базальтоидов” – БСОХ (базальты срединно-океанских хребтов) [5]
В зоне глубоководного желоба гетерогенная, состоящая из смеси безводных базитов, зеленых сланцев, амфиболитов и серпентинитов, океаническая кора субдуцирует и испытывает ряд превращений. По мере погружения зеленые сланцы превращаются в амфиболиты, а высвободившаяся вода вступает в реакцию с безводными базитами с образованием еще большего количества амфиболитов. Согласно модели А. Рингвуда, погружающаяся океаническая кора находится в таких Р-Т-условиях, что изобарический переход амфиболита в эклогит происходит в субсолидусных условиях при довольно низких температурах (<700°С). Высвобожденные воды поднимаются в перекрывающий мантийный клин, способствуют снижению вязкости и вызывают подъём мантийных диапиров, что в свою очередь вызывает их частичное плавление. Таким образом формируются водные толеитовые магмы, дифференциация которых приводит к появлению ранних толеитовых серий островных дуг. [6]
На глубинах более 100 км океаническая кора представлена эклогитом + серпентином. При давлении приблизительно 50 кбар и температуре около 500°С серпентин распадается на фазу DHMS + энстатит + вода. При этом же давлении и более и температурах 500…1600°С фаза DHMS вступает в реакцию с энстатитом с образованием форстерита и воды. Реакции дегидратации осуществляются постепенно и на большом интервале глубин, т.к. толща Qu-эклогита прогрет неравномерно. При наличии воды Qu-эклогит подвержен частичному плавлению с образованием риодацитовой магмы. Поступая наверх эти магмы вступают в реакции с веществом мантийного клина и вызывают подъём диапиров, состоящих из Ol-пироксенита. В результате возникают родоначальные для известково-щелочных серий базальтовые магмы. Эти магмы по мере подъёма испытывают фракционирование, контролируемое в основном гранатом, пироксеном и амфиболом. [6]
Образующиеся при всех этих процессах относительно кислые магмы транспортируются к поверхности и совместно с осадочными породами присоединяются к окраине континента, наращивая, континентальную кору. Наращивание в результате привноса материала, а также ввиду скучивания и деформаций пород при сжатии над зонами субдукции или в областях коллизии приводит к увеличению радиогенного тепла, генерирующегося in situ. Это приводит к разогреву и, как следствие, к региональному метаморфизму и частичному плавлению с образованием вторичных гранитных магм. К этому времени приурочено образование горных цепей и хребтов. [6]
Проявления магматизма[править | править код]
Выделяют 3 типа магматизма по месту его проявления:
- Континентальный.
- Окраинно-континентальный.
- Океанический.
В их составе выделяются разные, более локальные подтипы. Например: магматизм островодужный, рифтовый, плюмовый, горячих точек и некоторые другие.
По глубине проявления Магматизм разделяется на 4 класса:
- ультраабиссальный (очень глубокий),
- абиссальный (глубокий),
- гипабиссальный (приповерхностный),
- поверхностный.
По составу магмы на 6 видов, соответствующих рядам кремнезёмистости магматических пород.
В современную геологическую эпоху магматизм особенно развит в пределах Тихоокеанского подвижного пояса, срединно-океанических хребтов, рифтовых зон Африки и Средиземноморья и др. С магматизмом связано образование большого количества разнообразных месторождений полезных ископаемых.
Магматогенные металлические руды[править | править код]
См. также[править | править код]
- Петрогенезис
- Горячая точка (геология)
- Магматические горные породы
- Магма
- Азональность
Список литературы[править | править код]
Дополнительные материалы[править | править код]
- Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики
- Богатиков О.А., Коваленко В.И., Шарков Е.В. Магматизм, тектоника, геодинамика Земли. Связь во времени и в пространстве
- Базис
- Акинини В.В. Позднемезозойский и кайнозойский магматизм и преобразование нижней коры в северном обрамлении Пацифики
- Нановключения высокобарного гидросиликата Mg3Si4O10(OH)2 · nH2O (10a-фаза) в мантийных оливинах: механизмы образования и трансформации
Определение и происхождение
Магматическими (вулканическими) считаются различные кристаллические или стеклообразные породы, образующиеся при охлаждении и затвердевании расплавленной магмы, поступающей из недр Земли. Они представляют один из трёх основных видов пород, формирующих состав и структуру поверхности планеты:
- магматические — состоят преимущественно из вулканических пород с тонким слоем выветривания (осадочных);
- осадочные — образуются в результате распада старых вулканических пород;
- метаморфические — путём преобразования в земной коре двух первых под действием высокой температуры и давления без непосредственного участия магмы.
Считается, что магма генерируется в астеносфере — слое частично расплавленной породы, лежащем в основе земной коры на глубине более 60 км. Поскольку она имеет меньшую плотность, чем окружающие твёрдые породы, то постепенно поднимается по направлению к поверхности. Магма может капсулироваться в пределах коры или излиться из вулканов в виде лавовых потоков.
Принятая классификация
Все магматические породы (магматиты) классифицируются на основании минералогии, химии и текстуры. Минералы, образованные охлаждённой магмой в недрах Земли, отличаются от застывших на поверхности из-за различия физико-химических условий в этих средах. По месту формирования их делят на два типа:
- Интрузивные. На глубине температура и давление значительно выше, чем на поверхности. Расплавленная порода остывает медленно и кристаллизуется полностью, что способствует образованию полезных ископаемых.
- Эффузивные. Магма, выброшенная вулканами на поверхность, испытывает быстрое охлаждение без дополнительного воздействия. В результате порода содержит незначительные вкрапления минералов или лишена их вовсе. В последнем случае это может быть затвердевшее стекловидное вещество с высокой вязкостью (обсидиан).
Характеристики магматических пород зависят от глубины их застывания. По этому признаку выделяют три группы:
- вулканические — затвердевшие на поверхности земли вулканиты и субвулканиты, застывшие вблизи неё;
- гипабиссальные — сформировавшиеся на малых глубинах;
- плутонические (плутониты) — породы глубинного залегания.
Обнажённые интрузивные породы могут появиться на поверхности только после длительного периода денудации (изнашивания настилающих слоёв в результате выветривания и эрозии), в итоге выталкивающего действия тектонических сил или при комбинации этих двух условий. Бывают самых разных размеров: от маленьких зернистых и жилообразных включений до массивных батолитов, которые простираются более чем на 100 квадратных километров и составляют сердечники больших горных хребтов.
Выбросы эффузивов наблюдаются в зонах вулканической активности. Они происходят в двух формах:
- Перемещающиеся от жерла лавовые потоки. Более жидкие похожи на реки, обладающие значительной вязкостью. Застывают толстыми (сотни метров) последовательными слоями и при извержении из длинных трещин в рифтовых зонах образуют обширные плато. Примером являются плато Декан в Индии и Путорана в России.
- Разлетающиеся раздроблённые куски магмы разных размеров, называемые пирокластическими массами. Мелкие поднимаются в атмосферу и переносятся на сотни километров от эпицентра. Более крупные накапливаются на прилегающей территории.
Интрузивные и эффузивные породы играют важную роль в формировании рельефа земной поверхности, океанической коры и окраин континентов. Связанные с ними процессы были активны с начала образования Земли около 4,5 миллиарда лет назад и способствовали появлению воды, атмосферы и ценных минеральных ресурсов.
Характеристика компонентов
Подавляющее большинство изверженных пород состоит из силикатных минералов. Это означает, что основными строительными материалами для магмы являются кремний (Si) и кислород (O). Редким исключением считается вхождение карбонатов. Например, лава, извергавшаяся из стратовулкана Ол-Доиньо-Ленгаи (Танзания) в 1960 г., состояла из карбоната натрия и всего на 0,05 весовых процентов из диоксида кремния.
Основные минералогические компоненты изверженных пород можно разделить на акцессорные (менее 1—5% породы) и породообразующие. Последние встречаются в виде разнообразных силикатов и алюмосиликатов. В свою очередь, силикаты представлены светлоокрашенными (салическими) и тёмно-цветными (мафическими) разновидностями. Это отличие зависит от содержания в их кристаллических решётках примесей железа и магния. Fe и Mg дают тёмные оттенки, а Si и Al — светлые.
Общая таблица состава магматитов:
| Породообразующие самические | Породообразующие мафические | Ацессорные |
| светлые слюды | тёмно-цветные слюды | циркон |
| кварцы | пироксены | рутил |
| полевые шпаты | оливины | титанит |
| фальшпатоиды | амфиболы | пирит |
| ильменит | ||
| апатит | ||
| магнитит |
Одной из важных характеристик является кислотность, которая зависит от количества диоксида кремния (SiO2). Примеры магматических горных пород по этому признаку:
- Кислые (гранит, липарит, риолит, вулканический пепел) — насыщены кремнезёмом, среди прочих содержат кварц, полевой шпат и биотит.
- Средние (пемза, обсидиан, вулканический песок и туф) — имеют в составе диорит и андезит.
- Основные (габбро, базальт, диабаз, вулканические бомбы) — бедны кварцем и включают оливин, полевой шпат, пироксен и другое.
- Ультраосновные (оливин, пироксен) — кремнезёмы отсутствуют, содержат дунит, кимберлит, перидотит.
- Щелочные (нефелиновый сиенит) — включают полевые шпаты и роговые обманки.
Текстура и структура
Текстура магматитов, как правило, определяется размером и формой зёрен, составляющих минералы, а также пространственными отношениями между ними. Эти параметры не зависят от массы и геометрии образца породы, но дают ценную информацию об условиях её формирования.
Большинство магматический пород имеют кристаллическую структуру, в которой связаны различные минеральные составляющие. Они развиваются и срастаются во время затвердевания магмы. Скорость её охлаждения оказывает наибольшее влияние на размеры кристаллов в породе. Чем медленнее, тем больше кристаллов, поскольку химические компоненты получают запас времени для встраивания в минерал.
На конечный результат также влияет химический состав магмы. Например, обилие воды увеличивает скорость миграции элементов, а быстрое расширение газов во время извержения вулкана оказывает глубокое влияние на текстуру некоторых пород. Кристалличность обычно делят на несколько степеней:
- Полнокристаллическая состоит исключительно из кристаллов.
- Неполнокристаллическая наряду с кристаллами имеет некоторые вкрапления и стекло.
- Стекловатая содержит преимущественно стекло, имеет мало кристаллов или не включает их вовсе, поскольку затвердела до начала образования. Например, обсидиан, который легко идентифицировать по стекловидному блеску. Края по его сколу могут быть острее, чем у ножа или металлического лезвия. Это свойство сделало минерал фаворитом в хозяйстве людей каменного века, применявших его для изготовления топоров, ножей, наконечников копий.
Зёрна составляющих породу минералов могут быть разных размеров, поэтому их условно делят на несколько типов:
- афонитовый — различимы с помощью микроскопа;
- мелкозернистый — меньше 1 мм;
- среднезернистый — от 1 до 5 мм;
- крупнозернистый — от 5 мм до 2 см;
- очень крупнозернистый — более 2 см.
К наиболее распространённым структурным особенностям вулканической породы относятся пузырчатые отверстия, которые называются везикулами. Они образуются в момент растекания по поверхности раскалённой магмы, когда выделяются содержащиеся в ней газы. Если лава затвердевает до выхода газа, то полученная порода имеет многочисленные полости, определяя пористую структуру.
Везикулы могут варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в диаметре, Это явление обычно распространено в базальтовых магмах, а образованные ею базальты имеют серо-чёрные оттенки (молодые породы) или кирпично-красные (более старые и окисленные). Иногда полости бывают заполнены кристаллами кварца, халцедона, опала и других минералов.
Полезные ископаемые
Магматиты относятся к ценным полезным ископаемым и широко применяются в хозяйственной деятельности человека. Новые научные открытия и технологии позволяют находить и использовать даже очень редкие и малодоступные элементы. Список магматических горных пород, наиболее востребованных в промышленности:
- Габбро — один из самых долговечных природных камней. Образован в результате медленного затвердевания магмы в глубоких недрах Земли, вследствие чего получил плотную структуру и прочность. В строительстве ценится за устойчивость к низким температурам и высокой влажности. Эти качества необходимы для отделочных материалов, применяемых в агрессивных условиях окружающей среды (бассейны, мостовые, вазоны, памятники, колонны).
- Базальт — является изначальным и наиболее распространённым компонентом литосферы. Именно из него формируется новая океаническая и континентальная кора. Состоит из неразличимых невооружённым взглядом зёрен минералов, но может содержать и вкрапления. Применяется для облицовки сооружений, в качестве щебня. Из-за хорошей плавкости пригоден для изготовления кислотоупорного оборудования, труб, электроизоляторов.
- Диабаз — эффузивная горная порода светло-серого цвета, залегающая в виде жил и потоков. Отлично шлифуется, используется как строительный и декоративный камень. Из этого материала возведён знаменитый Воронцовский дворец в Левадии (Крым).
- Пироксенит — тяжёлая зеленовато-серая порода, встречается в виде массивов и штоков. Очень часто имеет в составе руды металлов, в том числе платины.
- Дунит — интрузивная основная порода жёлто-зелёного цвета, состоящая преимущественно из оливина. Связана с месторождениями платины.
- Пегматит — интрузив, сложенный из кварца, ортоклаза и мусковита. Попадается в виде жил, включающих радиоактивные минералы, олово, золото, слюды, драгоценные камни.
- Андезит — по составу близок к базальтам, применяется для облицовки, дорожно-строительных работ, в химической промышленности.
- Гранит — состоит в основном из кварца и полевых шпатов с незначительными включениями. Обладает большой плотностью, поэтому широко применяется в строительстве.
- Пемза — вспененная газами лава, при застывании превращается в “каменную пену”. Большое количество пустот делают её крайне лёгкой, а плотность ниже единицы позволяет держаться на поверхности воды. Используется в промышленности как абразивный материал, а также для изготовления фильтров, термоизоляторов, жидкого стекла.
- Вулканический шлак — рыхлая порода, обладающая меньшей пористостью, чем пемза. Применяется для изготовления лёгких бетонов и дорожных насыпей.
- Вулканический туф — прекрасный и прочный строительный и отделочный материал. Обладает природной красотой, хорошими изолирующими свойствами и прочностью.
В современном мире не существует отраслей промышленности, где в той или иной степени не используются полезные ископаемые, первоначальным источником которых являются магматические породы. Их разведка, добыча и переработка — главное дело жизни большого количества специалистов, обеспечивающих материальную базу технического прогресса человечества.