Зарождение магм

В зависимости от соотношений между температурой (T) и дав­лением (Р) вещество может состоять только из твердых фаз, смеси твердых фаз и жидкости (расплава) и только из жидкой фазы. В Р- Т координатах границами областей с тем или иным агрегатным состо-

J. Физические свойства, зарождение и подъем магматических расплавов

янием вещества служат линии соли-дуса и ликвидуса. Солидус опреде­ляет первое появление расплава, а ликвидус — полное исчезновение твердых фаз (рис. 3.2).

Магмы возникают в результате частичного плавления твердого ве­щества земной коры и верхней ман­тии, т.е. при Р—Т условиях между солидусом и ликвидусом. Самые глубинные магмы, достигшие по­верхности Земли, образованы на

глубине 150—250 км при литостатическом давлении 5—8 ГПа. Со столь глубокими источниками связаны, например, алмазоносные кимберлиты и лампроиты. Минимальная глубина магматических очагов составляет 10—15 км (Р= 250—500 МПа). На такой глубине за­рождаются некоторые граниты. Горные породы иногда испытыва­ют частичное плавление и ближе к поверхности Земли, но количе­ство возникающего при этом расплава обычно очень мало.

Частичное плавление, приводящее к образованию магм, вызы­вается тремя причинами: 1) изобарическим нагревом мантийного или корового ве­щества выше температуры

Рис. 3.3. Причины плавления, приводящие к образованию магм

а — изобарический нагрев, 6 — адиабатическое (почти изотерми­ческое) снятие давления, в — сни­жение температуры солидуса в присутствии воды, которая осво­бождается при дегидратации гид-роксилсодержащих минералов. Точка 1 — Р— Т условия до плавле­ния, точка 2 — Р— Т условия су­ществования расплава; S₁ — со­лидус при отсутствии воды, S₂ — солидус насыщенного водой рас­плава, D — кривая дегидратации гидроксилсодержащего минера­ла; остальные пояснения в тексте

Часть 111.Магматические горные породы (петрология)

солидуса (рис. 3.3, а); 2) адиабатическим (почти изотермическим) подъемом нагретого твердого материала в область меньшего давле­ния (рис. 3.3, б); 3) дегидратацией гидроксилсодержащих минералов с выделением воды, снижающей температуру солидуса (рис. 3.3, в). Эпизодический и локальный нагрев коры и верхней мантии обусловлен накоплением тепла вследствие радиоактивного распа­да химических элементов, главным образом U, Th, К. Частичное плавление может быть связано также с выделением тепла вязкого трения при пластических деформациях глубинного вещества. Ис­точником тепла, под воздействием которого плавится материал континентальной земной коры, часто служат высокотемпературные мантийные магмы основного или ультраосновного состава, переме­щенные на меньшую глубину.

Температура плавления силикатных пород, не содержащих во­ды, снижается с уменьшением давления. Если нагретое глубинное вещество обладает пластичностью, достаточной для его относи­тельного быстрого перемещения, то в процессе подъема может быть достигнута температура солидуса, и появится магматическая жид­кость, количество которой по мере падения давления будет возра­стать (см. рис. 3.3,6).

Положительный наклон линии солидуса силикатных пород, лишенных воды, является следствием положительного объемного эффекта плавления: А V = V_L — V* > 0, где V_L и \fe& удельные объе­мы жидкой и твердой фаз соответственно. При избытке воды линия солидуса приобретает отрицательный наклон (см. рис. 3.3, в)₉ по­скольку ∆V= V_L — (V_s + V_g) < 0, где V_L — удельный объем расплава, насыщенного водой, V_s- удельный объем твердой фазы и V_g — удельный объем водяного пара, который может быть растворен в магме.

Если в породе имеется гидроксилсодержащий минерал (амфи­бол, слюда и т.п.), область устойчивости которого ограничена ли­нией D (см. рис. 3.3, в), то, нагревая такую породу на глубине Р₁, можно достичь точки d, отвечающей температуре дегидратации. В температурном интервале d— 2 будет существовать свободная во­да, которая в точке 2 растворится в насыщенном водой силикатном расплаве. Если нагрев той же породы происходит на глубине Р₂, то дегидратация начнется в точке 2'при температуре, превышаю­щей солидус насыщенного водой расплава, и возникает силикат­ный расплав, недосыщенный водой. В том и другом случае дегид­ратация гидроксилсодержащего минерала приводит к появлению

_______ J. Физические свойства, зарождение и подъем магматических расплавов__________

силикатного расплава при температуре ниже безводного («сухого») солидуса S₁.

Количество жидкой фазы, возникающей при частичном плав­лении, зависит от степени перегрева относительно температуры солидуса, а при наличии воды — кроме того, от ее содержания в маг­матическом источнике. Чем выше температура, тем более продви­нутым становится частичное плавление; чем больше воды в источ­нике, тем больше расплава может возникнуть при одной и той же температуре.

Максимальная доля жидкой фазы, которая появляется в зонах магмообразования, не превышает 40 ± 10 об.%. При достижении такого количества жидкости смесь расплава и еще оставшихся кристаллов становится эффективно жидкой и начинает переме­щаться в виде магматической суспензии. Подъем такой суспензии происходит быстрее, чем она успевает расплавиться дальше. Как показывают расчеты и опыты, количество жидкой фазы в магма­тических очагах во многих случаях не превышает 20—30 об.%, а ча­сто составляет не более 1—10 об.%. При столь малых степенях ча­стичного плавления магматические очаги можно рассматривать как пористые среды, состоящие из твердого кристаллического каркаса и связного межзернового порового пространства, запол­ненного возникшим расплавом. Поверхностные силы на границах кристалл—расплав таковы, что связная система каналов, соединя­ющих межзерновые поры, возникает даже при малом количестве жидкости (< 1 об.%). Поскольку расплав легче, чем твердый кар­кас (разность плотностей может достигать 0.5 г/см³), а его вяз­кость на 10-20 порядков меньше, чем эффективная вязкость твер­дого материала, магматические очаги быстро становятся механически неустойчивыми. При пластической деформации твердого каркаса расплав выжимается из связной системы пор и образует относительно крупные скопления. Чаще всего процесс сводится к уплотнению зоны частичного плавления под действи­ем силы тяжести аналогично тому, как уплотняются содержащие воду осадки на морском дне. При этом расплав скапливается в верхней части магматического очага, а твердые реститы — в нижней его части. Согласно расчетам, скорость фильтрации магмы в межзерновом пространстве зон частичного плавления измеряется сантиметрами—метрами в год.

Часть III. Магматические горные породы (петрология)