Ефективність фракціювання та контамінація розплавів як фактори магматичної еволюції. Їх геохімічне значення

Магматическая дифференциация (фракционирование) Рассмотрим три типа фракционной кристаллизации: равно­весную кристаллизацию, релеевское фракционирование и крис­таллизацию (in situ). 1. Равновесная кристаллизация. Процесс равновесной крис­таллизации обеспечивает полное равновесие между всеми твер­дыми фазами и расплавом в течение кристаллизации

2. Релеевское фракционирование. Данный процесс описыва­ется согласно закону Релея. Релеевское фракционирование пред­ставляет собой крайний случай извлечения кристаллов из распла­ва сразу после их образования. В процессе фракционной кристаллизации содержания несов­местимых элементов в кристаллизующемся твердом веществе уменьшаются, а совместимых — увеличиваются относительно со­держаний элементов в родоначальном источнике и, соответствен­но, в расплаве увеличиваются содержания несовместимых эле­ментов и уменьшаются совместимых относительно источника.

3. Кристаллизация in situ. В настоящее время считается, что кристаллизация в пределах магматической камеры имеет место на стенах камеры и фракционная кристаллизация здесь является in situ процессом, при котором остаточный расплав отделяется от кристаллической "каши" в зоне солидификации на границе маг­матической камеры и возвращается в камеру.

В случае, когда/= 1, мы имеем фракционную кристаллиза­цию, при более низких значениях /увеличение содержаний не­совместимых элементов и уменьшение содержаний совместимых Элементов в расплаве при кристаллизации in situ оказывается не значительным, как при релеевском фракционировании.

Вариации содержания элементов при фракционной кри­сталлизации. Общие тренды. Большинство находящихся в магме элементов не образуют своих собственных минералов вследствие низкой концентрации, однако они входят в различ­ной степени и в относительно малых количествах в породообра­зующие минералы. Многие элементы обогащают жидкую фазу по сравнению с кристаллической, и по одной только этойпричи­не их концентрации обнаруживают сильные межэлементные корреляции. Вообще-то отнюдь не наблюдается сильныхкорре­ляций между всеми элементами одной и той же группы перио­дической системы, хотя отдельные пары элементов ассоцииру­ются очень тесно (например, Al—Ga, Zr—Ш). Как показано в следующей главе, распределение элементов определяетсяихионными радиусами, а они сильно меняютсяв любойгруппепериодической системы. Таким образом, простой схемы поведе­ния всех элементов не существует, однако для многих рассеян­ных и малых элементов изверженных пород, испытавших пере­распределение в кристаллизационных процессах, можно пред­ложить нижеследующую грубую классификацию (детальное рассмотрение различий между содержаниями главных элемен­тов в обычных типах горных пород можно найти в большинстве учебников по петрологии изверженных пород):

а) многие из переходных элементов, от Se до Си, обогащают мафические или базитовые фракции, имея заметные или сильные межэлементные корреляции;

б) многие из элементов с атомными номерами больше 39 (Y), за исключением платиноидов, при фракционной кри­сталлизации базитовых магм накапливаются в жидкой фазе;

в) при возникновении в магме самостоятельной сульфидной фазы с ней ассоциируются Cu, Fe, Ni, Со, Ag, Аи, Se, Те, In, ТІ и Re;

г) любая несмешивающаяся водная фаза имеет тенденцию к обогащению Na, К, Са, M,g, CI, S (в виде сульфатов), Li, В, Р, С (в виде карбонатов и бикарбонатов), Zn и W.

Вопрос о накоплении элементов в пегматитах и вулканиче­ских эманациях будет кратко рассмотрен в следующих разделах. Эти четыре категории являются результатом довольно широко­го обобщения, поэтому в любой серии горных пород несомненно могут быть встречены отдельные исключения. Тем не менее они представляют полезные предварительные ориентиры для пони­мания закономерностей распределения элементов. Более под­робно эти закономерности рассмотрены в следующих разделах.

Пегматиты. Пегматиты, представляющие собой продук­ты последней стадии фракционной кристаллизации магмы или первой стадии фракционного плавления при анатексисе, содер­жат многие элементы в концентрациях, намного превышающих содержания этих элементов в коре. Многие из элементов, имею­щих тенденцию к накоплению в магме при фракционной кри­сталлизации, в конце концов выделяются в виде необычных и сложных по составу минералов или минеральных ассоциации,

Пегматиты богаты кремнеземом, щелочами, глиноземом, водой и т. д. По сравнению с корой они в целом значительно обогащены следующими элементами: Li, Be, В, F, Se, Ga, Ge, Rb, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Cs, р.з.э., Hf, Ta, W, Re, Pb, Bi, Til и U. Нужно заметить, однако, что степень накопления ряда эле­ментов существенно зависит от того, какие породы являлись для пегматитов материнскими. Так, например, гранитные пегмати­ты заметно беднее Zr (и Hf), чем пегматиты нефелиновых сиени­тов, в особенности агпаитовых. По всей вероятности, это явля­ется результатом ранней кристаллизации циркона из гранитных магм (по сравнению с сиенитовыми магмами), что препятствует существенному накоплению Zr (и Нf) в остаточных магмах.

Контаминация (от лат. contaminatio - загрязнение в результате соприкосновения, смешение), процесс переработки магмой горных пород осадочного, метаморфического и магматического происхождения. В результате взаимодействия магмы с вмещающими породами происходит частичное растворение последних и образование гибридных пород, имеющих иной петрографический состав по сравнению с исходной магмой. Первоначально термин «Контаминация (в геологии)» был введён английским учёным Г. Ридом (1923), который рассматривал Контаминация (в геологии) как процесс загрязнения магмы осадочными и метаморфическими породами. Контаминация (в геологии) наиболее ярко проявляется при взаимодействии магмы с породами контрастного по отношению к ней состава (например, гранитной магмы с известняками или ультраосновными породами). Контаминация (в геологии) происходит на различных глубинах земной коры. В отличие от процесса ассимиляции, включения постороннего материала при Контаминация (в геологии) сохраняют реликты структуры первичных пород; иногда сохраняются также границы включений, позволяющие судить о их первичной форме.

Контаминация мантийных магм веществом континентальной коры - один из общепризнан­ных механизмов формирования магматических пород промежуточного состава. Особенно час­то этот механизм привлекается для объяснения пород среднего и умеренно кремнекислого со­става в островных дугах и активных континентальных окраинах, а также значительных объемов гранитоидов во внутриконтинентальных орогенных поясах [1-5]. Признание важной роли этого процесса нашло свое отражение в серии петрогенетических моделей [6 и др.]. При этом a priory предполагается, что контаминация расплавов веществом континентальной коры происходит в форме механического смешения. Именно этот процесс моделируется алгоритмами, заложенны­ми в большинстве пакетов для обработки геохимических и изотопных данных (Newpet, Minpet, Igpet, Magma и др.).

В ходе полевых исследований были установлены многочисленные свидетельства актив­ного взаимодействия магматических пород с гранат-силлиманитовыми гнейсами рамы. Харак­тер этих взаимодействий принципиально различен для пород разного состава. Так в контакте с габброидами гнейсы испытывают практически полное плавление и превращаются в серые мел­козернистые породы с магматической структурой и массивной текстурой. Мощность зоны плав­ления на контактах достигает 0,5 м. С удалением от них наблюдается постепенный переход через теневые мигматиты к мигматизированным гнейсам. Крайне важно отметить, что какого-либо механического смешения вещества габброидов и расплавленных гнейсов не наблюдается. Даже в случае перемещения (вследствие тектонических деформаций, или конвекции в магматической камере) - палингенные выплавки образуют в габброидах округлые или удлиненные лейкократо- вые включения без видимых признаков механического смешения. Вероятнее всего, подобная несмесимость объясняется различиями реологических характеристик (в первую очередь - вяз­кости) расплавов.

В то же время в зоне контакта контрастных расплавов наблюдается реакционное взаимо­действие, фиксируемое в габброидах по появлению биотита, редко - кварца и калиевого полево­го шпата, а в переплавленных гнейсах - по широкому развитию амфибола, изменению цвета био­тита (с красно-коричневого на оливово-зеленый), отсутствию граната и силикатов глинозема.