Подъем магм
Механическая неустойчивость магматических источников в конечном итоге приводит к тому, что расплав отделяется от твердого
|
| Рис. 3.4. Возникновение избыточного давления АР = (р1 — p2)gh в столбе расплава с плотностью р2, который находится среди вмещающих пород с плотностью p1(p1 >p2). А — см. в тексте |
каркаса и перемещается вверх. Главной движущей силой этого процесса служит избыточное давление расплава, возникающее вследствие объемного эффекта плавления и разности плотностей жидкой и твердой фаз. Если, например, расплав, образованный на глубине А, заполняет вертикальный канал высотой h2, верхняя кромка которого находится на глубине h1 от поверхности (рис. 3.4), а плотность расплава (р2) меньше плотности окружающих пород (р1), то на уровне А избыточное давление равно ∆Р = Р1 - Р2 = р1g(h1 + h2) — (р1gh1 +p2gh2) = (р1—p2)gh2 Чем больше вертикальная протяженность столба расплава, тем больше избыточное давление жидкой фазы. Следовательно, отделение магматической жидкости и ее подъем являются саморазвивающимися процессами, которые протекают с ускорением. Чем больше появляется магмы, тем больше избыточное давление расплава, и тем стремительней происходит его сепарация и подъем. Магмы поднимаются вверх вдоль трещин, существующих в твердых породах. Избыточное давление расплава способствует раскрытию трещин, что значительно ускоряет фильтрацию магмы. По аналогии с гидроразрывом пластов, который применяется при добыче нефти, это явление получило название магморазрыва. Трещины, заполненные магмой, превращаются при затвердевании в дайки.
Если производительность магматического источника достаточно высока, то одновременно возникает множество трещинных каналов, которые, соединяясь друг с другом, образуют сложную систему крутопадающих и пологих проводников. Расположенные между ними блоки твердых пород теряют механическую устойчивость и начинают погружаться вниз, освобождая место для расплава (рис. 3.5); таким способом могут возникнуть крупные интрузивные тела.
3. Физические свойства, зарождение и подъем магматических расплавов
|
| Разлом |
| Магма |
| Рис. 3.5. Образование магматических камер путем обрушения блоков вмещающих пород |
Скорость подъема магм по трещинным каналам зависит от их сечения, вязкости расплава и величины избыточного давления жидкости. Как показывают расчеты и модельные эксперименты, магмы поднимаются к поверхности очень быстро. Скорость подъема основных и ультраосновных расплавов может достигать километров и даже десятков километров в час. Такие оценки подтверждаются ре-
зультатами геофизических наблюдений в областях активного вулканизма.
Если в процессе подъема из магмы выделяются пузырьки водяного пара или углекислоты, то скорость перемещения расплава становится еще выше. На малых глубинах газовая фаза расширяется настолько, что поток жидкой магмы с газовыми пузырьками превращается в струю газа, увлекающую капли силикатного расплава. Смесь газа и магматической жидкости может перемещаться со сверхзвуковой скоростью, образуя трубки взрыва.
При быстром подъеме магмы практически не охлаждаются за счет теплообмена с боковыми породами. Снижение температуры связано лишь с адиабатическим расширением, которое приводит к охлаждению на 0.6 °С/км. В таких условиях глубина, до которой может подняться магма, определяется не остыванием расплава, а другими факторами, среди которых главными являются производительность источника, соотношения плотностей жидкой и твердой фаз и степень перегрева расплава относительно температуры солидуса.
Если количество возникающего расплава мало, его может просто не хватить для того, чтобы заполнить каналы протяженностью в десятки и сотни километров и достичь малых глубин. Поэтому вблизи поверхности Земли нет магматических пород, возникших глубже 200-250 км, хотя этот уровень вряд ли служит нижним пределом частичного плавления в мантии Земли.
Как было отмечено в разделе 3.1, плотность кислых магм меньше плотности твердых пород, слагающих земную кору. По мере
Часть III. Магматические горные породы (петрология)
подъема кислой магмы ее избыточное давление возрастает (см. рис. 3.4), и не существует механических причин, которые мешали бы расплаву достичь дневной поверхности.
|
| М |
| Рис. 3.6. Возможная высота подъема мантийных магм в земной коре М — поверхность Мохоровичича, р7 — плотность вещества верхней мантии, р2 — мантийной магмы, р3 — вещества земной коры. ∆P1 = (p]-p2)h1 >0; ∆P2 = (p3-p2)h2 < 0; высота подъема магмы в коре определяется уравнением: ∆Р1 = ∆Р2; h2 = h1/(p1 - p2)/(p3-p2) |
Плотность основных и ультраосновных магм, возникших в верхней мантии, превосходит плотность твердого вещества земной коры. Мантийные магмы могут подняться лишь до уровня, на котором положительное избыточное давление, накопленное в процессе подъема расплава сквозь плотные мантийные породы, уравновесится отрицательным избыточным давлением в коре (рис. 3.6). Из соотношений, показанных на рисунке, следует, что чем глубже находится источник мантийных магм, тем выше он может проникнуть в земную кору. Поэтому основные и ультраосновные магмы, которые зарождаются вблизи поверхности Мохо-ровичича, часто затвердевают в виде интрузивных тел, а более глубинные расплавы образуют лавовые потоки на суше или морском дне. Таким образом, земная кора служит плотностным фильтром, который задерживает тяжелые магмы, возникшие в верхней мантии. Значительная часть мантийных магм, вероятно, скапливается вблизи основания континентальной коры, увеличивая мощность гранулитобазитово-го слоя.
Кроме рассмотренных выше механических факторов, глубина подъема магмы зависит от степени перегрева относительно температуры солидуса. Если расплав не содержит воды, то линия солиду-са в Р— Т координатах имеет положительный наклон. При адиаба-
3. Физические свойства, зарождение и подъем магматических расплавов
|
тическом подъеме степень перегрева расплава относительно температуры соли-дуса возрастает, и доля жидкой фазы увеличивается. Таким образом, «сухой» расплав всегда имеет шанс достичь дневной поверхности.
| Рис. 3.7. Возможности подъема «сухих» и во-досодержащих магм Расплав, не содержащий воды, поднимаясь в адиабатических условиях с глубины 1, становится все более перегретым относительно температуры солидуса (S1) и достигает дневной поверхности (точка 1'). Расплав, содержащий растворенную воду, поднимаясь с глубины 2, достигает насыщения Н20 в точке 2' (С— уровень насыщения). При дальнейшем подъеме расплав остается насыщенным водой, но концентрация воды снижается, и ее избыток выделяется в виде пузырьков водяного пара. В точке 2'' расплав достигает температуры «влажного» солидуса (S3) и затвердевает, не доходя до дневной поверхности |
Если же в магме содержится растворенная вода, то соотношения меняются. Растворимость воды в силикатном расплаве уменьшается по мере подъема, и на некоторой глубине достигается насыщение водой (точка 2' на рис. 3.7). Выше этого уровня начинается выделение пузырьков водяного пара, и хотя магма все время остается насыщенной Н20, концентрация воды в расплаве
уменьшается. Поскольку линия солидуса насыщенного водой расплава S3 имеет отрицательный наклон, то относительно низкотемпературный расплав достигает солидуса, не доходя до дневной поверхности в точке 2". На этом гипсометрическом уровне магма полностью затвердевает, и ее подъем прекращается. Для того чтобы расплав, содержащий большое количество воды, достиг дневной поверхности, он должен быть изначально сильно перегрет относительно температуры «влажного» солидуса. Поскольку такой перегрев маловероятен, богатые водой расплавы, имеющие невысокую начальную температуру, затвердевают в виде интрузивных тел,
Часть III. Магматические горные породы (петрология)
а маловодные или «сухие» расплавы, нагретые до более высокой температуры, достигают поверхности при вулканических извержениях. Рассмотренные соотношения позволяют понять, почему среди основных и ультраосновных магматических пород, образованных при затвердевании магм, почти не содержавших воды, преобладают эффузивы, а кислые водосодержащие магмы образуют преимущественно интрузивные тела.
Дополнительная литература
Кадык А.А., Лебедев Е.Б., Хитаров Н.И. Вода в магматических расплавах. М.: Наука, 1971.
Кадык А.А., Френкель М.Я. Декомпрессия пород коры и верхней мантии как механизм образования магм. М.: Наука, 1982.
Механизм интрузий магмы. М.: Мир, 1972.
Персыков Е.С. Вязкость магматических расплавов. М.: Наука, 1984.
ТеркотД., Шуберт Дж. Геодинамика. Ч. 1, 2. М.: Мир, 1985.
Дата добавления: 2015-06-27; просмотров: 2069;