Дифференциаты и кумулаты мантийных магм
6.2.1. Сущность кристаллизационной дифференциации
Поднимаясь к поверхности и частично затвердевая, мантийные магмы обычно испытывают дифференциацию, в процессе ко-
465
Часть III. Магматические горные породы (петрология)
торой состав жидкой фазы меняется по сравнению с первичным. Механизм дифференциации может сводиться к отделению твердых фаз от остаточного расплава в ходе кристаллизации, разделению расплава на две несмешивающиеся жидкости контрастного состава и их расслоению по плотности, обогащению локальных зон магматических камер теми или иными химическими элементами путем термодиффузии (эффект Соре) или переноса компонентов в газовой фазе.
Главное значение имеет кристаллизационная дифференциация, связанная с разделением (фракционированием) твердых и жидких фаз. Как было показано в предыдущем разделе, первичные мантийные магмы в момент зарождения близки к многокомпонентным котектикам высокого давления. При кристаллизации таких магм в условиях низкого давления состав остаточного расплава также стремится к котектике. Однако поля устойчивости минералов и пропорции фаз в котектиках меняются как функция давления. Поэтому кристаллизация первичной мантийной магмы, перемещенной на малые глубины, начинается с выделения твердых фаз, избыточных по отношению к котектике низкого давления. Если отделить кристаллические фазы от жидкости, то ее состав окажется иным по сравнению с составом первичной магмы. В этом и заключается сущность кристаллизационной дифференциации — одного из важнейших петрогенетических механизмов, впервые предложенного еще Ч.Дарвиным и изученного в начале XX века американским петрологом-экспериментатором Н. Боуэном.
Принцип кристаллизационной дифференциации можно наглядно иллюстрировать двойной фазовой диаграммой с эвтектикой (рис. 6.3). Если на глубине зарождается эвтектический расплав E1, который поднимается к поверхности и начинает кристаллизоваться на меньшей глубине, где фазовые соотношения меняются (пунктирные линии), то из этого расплава начинают выделяться кристаллы В, а остаточный расплав стремится к составу Е2. Если механически отделить эти кристаллы, то жидкость Е2 и будет представлять дифференциат первичного расплава Е1
Ход кристаллизационной дифференциации определяется физико-химическими равновесиями «кристаллы—жидкость» на уровнях зарождения и затвердевания расплавов, а также механикой разделения твердых и жидких фаз в пространстве.
Поскольку равновесия между кристаллами и расплавом при затвердевании магм на малых глубинах отличаются от равновесий
6. Магматические породы мантийного происхождения
в источнике первичных магм, то состав и количество твердых фаз, которые выделяются в условиях низкого давления, отличаются от состава и пропорций минералов, израсходованных в процессе частичного плавления.
Рис. 6.3. Смещение эвтектики в двухкомпо-нентной системе как функция давления Пояснения см. в тексте |
При плавлении мантийных перидотитов на глубине более 60 км в расплав переходят главным образом клинопироксен
и гранат. Если расплав перемещается в область меньшего давления, то нормативный гранат, который содержится в расплаве, вступает в химическую реакцию с нормативным оливином и образуется шпинель:
Mg3Al2Si3O12 + Mg2Si04 =MgAl204 + 4MgSi03
пироп форстерит шпинель энстатит
Поэтому в интервале глубин от 60 до 25 км из расплава при охлаждении выделяется не гранат, а шпинель. На меньшей глубине нормативные шпинель, энстатит и клинопироксен реагируют друг с другом с образованием плагиоклаза:
анортит |
MgAl204 + 2MgSi03 + CaMgSi206 = CaAI2Si208 + 2Mg2Si04;
диопсид |
энстатит |
шпинель |
2MgSi03 + NaAlSi206 = NaAlSi308 + Mg2Si04: энстатит жадеит альбит форстерит 2MgSi03 + CaAlSi206 = CaAl2Si20J + Mg2Si04 |
форстерит |
анортит |
Са-чермакит |
энстатит |
форстерит
Вследствие этого на глубине менее 25 км становится возможной кристаллизация плагиоклаза — минерала, которого нет в мантийных перидотитах и который не выделяется из первичной мантийной магмы на большей глубине, где все его составные части (Са, Na, A1, Si) заключены в клинопироксене, шпинели или гранате.
Часть III. Магматические горные породы (петрология)
По мере снижения давления доля оливина в котектике 0l + Срх + Орх = L снижается (см. раздел 6.1), и оливин во все большем количестве выделяется как избыточная по отношению к котектике твердая фаза. Поэтому в условиях низкого давления кристаллизация первичных мафических и ультрамафических мантийных магм начинается с выделения оливина. Дальнейшее снижение температуры в изобарических условиях приводит к кристаллизации минерального парагенезиса 0l + Р1 + Срх. Ранний оливин, который появился на ликвидусе первичной магмы, при понижении температуры иногда исчезает вследствие перитектических реакций с расплавом, приводящих к образованию орто- или клинопироксена, а на больших глубинах — и граната.
Кристаллизационная дифференциация происходит в системе промежуточных камер, которые заполняются мантийными магмами при их подъеме к поверхности Земли. Вследствие высокой плотности магматических жидкостей мантийного происхождения (см. раздел 3.1) значительная их часть, вероятно, скапливается в основании земной коры. Промежуточные камеры формируются и выше вплоть до приповерхностной зоны, как это установлено, например, под вулканами Гавайских островов.
Промежуточные камеры периодически разгружаются при перемещении расплава на меньшую глубину и пополняются новыми порциями магмы из более глубинных источников. В периоды «покоя» в камерах происходит частичная кристаллизация расплава с выделением твердых фаз, плотность которых отличается от плотности окружающей жидкости. Оливин, пироксен и другие минералы, имеющие более высокую плотность по сравнению с магматической жидкостью4, могут погружаться, образуя скопления в нижних частях камер, а кристаллы плагиоклаза более кислые, чем Аn75, будучи относительно легкими, наоборот, могут всплывать и концентрироваться вблизи кровли магматических камер.
Скорость стационарного погружения или всплывания кристаллов в магме (V) может быть оценена с помощью уравнения Стокса:
V=2g∆pr2/9η, где g—ускорение силы тяжести; ∆р — разность плотностей твердой и жидкой фаз; r— радиус твердых частиц, имеющих сферическую форму;η — вязкость. Для кристаллов несферической формы вводятся поправочные коэффициенты.
4 Плотность оливина и пироксена равна не менее 3.2 г/см3, а плотность первичных мантийных магм составляет 2.8-3.0 г/см3.
6. Магматические породы мантийного происхождения
Если принять, что η = 100 Па • с (типичная величина для базальтовой магмы), ∆р =3.5-2.7=0.8 г/см3 (разность плотностей оливина и базальтового расплава), r= 1 мм, то V= 3 см/ч (~270 м/год). Этот пример показывает, что гравитационное осаждение оливина и других минералов с повышенной плотностью может служить эффективным механизмом кристаллизационной дифференциации.
Гравитационному разделению кристаллов и жидкой фазы в природных условиях препятствует то обстоятельство, что многие магмы при температуре ниже ликвидуса обладают пределом текучести, и соотношения между касательными напряжениями и градиентами скоростей описываются не уравнением Ньютона dF/dS = = -η(dV/dX), а уравнением Бингема: dF/dS = τ0-η)(dV/dX)f где τ0 — предел текучести. Пока касательные напряжения не превысят τ0, перемещения твердых частиц относительно жидкой фазы не происходит. Вследствие этого в расплаве погружаются лишь достаточно крупные кристаллы, а мелкие твердые частицы остаются во взвешенном состоянии.
Как показывают геологические наблюдения, размер кристаллов оливина и некоторых других минералов, которые выделяются из основных и ультраосновных магм, обычно достаточен для их гравитационного осаждения. Этот процесс может протекать не только в крупных магматических камерах, но и в небольших телах, например, в отдельных «подушках» базальтовых пиллоу-лав. Осаждение кристаллов приводит к обеднению расплава теми компонентами, которые содержатся в кристаллических фазах, и состав жидкости существенно отклоняется от первоначального.
В зависимости от состава первичной мантийной магмы и Р—Т ус-ловий ее кристаллизации возникают разные серии дифференциатов. Так, дифференциация низкощелочных пикритов и пикробазаль-тов, обусловленная отделением от первичных магм оливина, хромовой шпинели, клинопироксена и высококальциевого плагиоклаза, приводит к возникновению серий дифференциатов, которые завершаются низкомагнезиальными толеитовыми базальтами и габбро. Дифференциация умереннощелочных пикробазальтов, содержащих до 10 мас.% нормативного нефелина, смещает состав магматических жидкостей в сторону трахибазальта-трахита (монцонита-сиенита), а серии дифференциатов высокощелочных оливиновых меланефелинитов могут заканчиваться фонолитами и нефелиновыми сиенитами. При этом в умеренно- и высокощелочном рядах обособляются натриевые и калиевые дифференцированные серии.
Часть III.Магматические горные породы (петрология)
Поскольку кристаллизационная дифференциация является неизбежным процессом, сопровождающим подъем к поверхности Земли основных и ультраосновных расплавов, на малых глубинах наиболее распространены продукты затвердевания не первичных мантийных магм, а их дифференциатов, которые образуются на относительно небольшой глубине. К таким дифференциатам относятся, например, толеитовые базальты с низким содержанием магния, в том числе кварцевые толеиты, широко развитые среди траппов и других континентальных магматических ассоциаций (см. табл. 6.2). Базальты океанического дна, которые представлены оливиновыми толеитами, содержащими около 8 мас.% MgO (см. табл. 6.2), также ипытали заметное фракционирование оливина и других минералов, что привело к отклонению первичного состава расплава, который был более магнезиальным.
Толеитовые базальты, занимающие большие объемы на суше и морском дне, весьма однообразны по химическому и минеральному составам, что обусловлено не столько однородностью мантийного источника и условий зарождения первичных магм, сколько существованием своеобразного фильтра в виде системы промежуточных камер-отстойников, пройдя через который расплавы приобретают состав, отвечающий равновесию кристаллы—жидкость при низком давлении. При этом ранние относительно тугоплавкие и тяжелые кристаллические фазы скапливаются в придонных частях промежуточных камер, а более легкоплавкие и менее плотные остаточные расплавы перемещаются вверх и достигают дневной поверхности. Такая модель подтверждается отсутствием глубинных включений мантийного происхождения в низкомагнезиальных толеитовых базальтах. Подобные включения содержатся только в более богатых магнезией щелочных оливиновых базальтах и других недосыщен-ных кремнеземом породах, близких по составу к первичным магмам.
Составы пород, образующих серии дифференциатов, расположены вдоль котектических линий, которым соответствуют термальные «долины» на поверхности ликвидуса. Долины разделены термальными барьерами («водоразделами»), которые препятствуют переходу от одного тренда дифференциации к другому. В условиях низкого давления таким барьером служит, например, плоскость 0l-Срх-Рl в базальтовом тетраэдре Ne-0l-Cpx-Q, которая разделяет объемы насыщенных и не насыщенных кремнеземом бази-тов. При дифференциации первичных магм, насыщенных кремнеземом, составы остаточных расплавов смещаются в сторону
6. Магматические породы мантийного происхождения
риолита, а при дифференциации недосыщенных кремнеземом магм — в сторону фонолита. Очень небольшие различия в составе первичных магм вблизи термального барьера могут привести к по-| явлению существенно разных дифференциатов.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 1597;