ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3939
Скачиваний: 7
76
Основы процесса дифференциации и кристаллизации магмы заложены
трудами Боуэна, Гольдшмидта, Ниггли, Фогта и других ученых. Показано, что
МАГМА
состоит
из трудно и легкоплавких компонентов
из трудно и легколетучих компонентов
при ликвации (магматической гравитационной дифференциации) формируется
базальтовая магма
(основная)
гранитная магма
(кислая)
кристаллизация магмы
протокристаллизация менее растворимых минералов
из ультраосновной магмы с более высокой температурой и низким
содержанием малолетучих компонентов:
C, Na, Mg, P, S, Cl, Ca, Ti, V,
Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, As, Re
, платиновые
мезокристаллизация (главная кристаллизация)
образуются минералы
Ca, Na, K, Al, Si, (Mg)
телокристаллизация (остаточная кристаллизация флюидов и формирование
пегматитов)
ультракислой магмы с низкой температурой и обилием летучих компонентов:
H, Li, Be, B, F, Na, Al, Si, (P), (Cl), K, Rb, Y, Th, Zr, Nb, Mo, Sn, Hf, Ta, W, Au, Ra
, U
дистилляция (выделение) летучих компонентов из охлажденного расплава: происходит
в определенной последовательности в зависимости от величины парциального давле-
ния их паров, с образованием пневматолитов, гидротермалитов
77
при кристаллизации расплава минералы выделяются в определенной последова-
тельности.
В кристаллизационной стадии дифференциации магмы идет образование
трех самостоятельных комплексов:
твердого остатка породы
,
остаточного рас-
плава
и ряда погонов –
дистиллятов
. Остаточный расплав превращается в
пегма-
титовый расплав
, а дистилляты – в
пневматолиты
, которые при охлаждении да-
ют
горячие водные растворы
и их осадки –
гидротермалиты
. В кристаллизации
магмы выделяют следующие последовательные этапы: протокристаллизация,
главная и остаточная кристаллизация.
Протокристаллизация
– образование наиболее ранних продуктов кристал-
лизации из расплава, флюида или раствора. Происходит образование темных и
устойчивых минералов. По Боуэну, кристаллизация расплава начинается с обра-
зования наиболее тугоплавких, богатых
Mg и Fe
(фемических) силикатов. Соб-
ственные минералы образуют в первую очередь элементы с четными номерами и
малыми размерами ионных радиусов. Атомные массы большинства из них кратны
четырем. Энергия кристаллических решеток этих минералов высокая, ионные ра-
диусы малые. Этим требованиям, по А.Е.Ферсману, отвечают следующие элемен-
ты ( у выделенных элементов атомные массы кратны 4):
Mg,
Si, O, Ti, Fe, Cr, C, S,
Ca
, Ni, Pt, Ru, Os
.
В период
главной кристаллизации (мезокристаллизации
) по мере падения
температуры в породах увеличивается содержание
Ca – Mg
силикатов и алюмоси-
ликатов
Ca, Na, K
. Выделяются распространенные минералы (плагиоклазы, слю-
ды, амфиболы, калиево- и натриевые полевые шпаты). В минералах возрастает
роль одновалентных химических элементов (натрия и калия) и уменьшается роль
двухвалентных ( магния, кальция, железа). У одновалентных элементов ионные
радиусы большие. Энергия кристаллических решеток низкая. Минералы с содер-
жанием этих элементов неустойчивы в гипергенных условиях.
Остаточная кристаллизация (телокристаллизация)
приводит к образова-
нию кислых пород, обогащенных редкими элементами и летучими компонентами.
Характерны четные химические элементы (кислород, кремний) и резко возрастает
роль нечетных (алюминий, калий, натрий), усложняется структура основных по-
родообразующих минералов. При остывании продуктов остаточного расплава об-
разуются крупнокристаллические породы, иногда сильноминерализованные, ко-
торые называют пегматитами. Наиболее широко распространены гранитные пег-
матиты с температурой кристаллизации 700–850
о
С. В минерализованных пегма-
титах формируются наиболее крупные минералы в природе, например, сподумен
длиной до 14 м, берилл весом до 18 т, кварц до 14 т, циркон до 6 кг.
Таким образом, последовательность кристаллизации зависит от термиче-
ских и кристаллохимических свойств реагирующих веществ и их количественных
отношений в расплаве. Химическая лаборатория природы представляет собой ряд
медленных превращений атомов на пути к достижению максимального химиче-
ского равновесия, за исключением отдельных моментов этого процесса, и форми-
рования устойчивых минеральных видов.
78
8.1.
Свойства и состав магмы
Магма представляет собой гетерогенный силикатный расплав. Содержит
около 5% воды, в неизмененных магматических породах редко превышает 1%. .
При высоком давлении летучие компоненты находятся в подвижном состоянии.
Как многокомпонентная система магма хорошо растворяет породообразующие
оксиды редких элементов (
Li
2
O, Rb
2
O, BeO, ZrO
2
, Ga
2
O
3
, Nb
2
O
5
и др.).
Чем больше компонентов в силикатном расплаве, тем ниже температура
его остывания и меньшая вязкость, что ведет к повышению реакционной способ-
ности силикатного расплава и скорости диффузии компонентов реакции. Напри-
мер, гранитный расплав застывает при температуре 1100 – 900ºС, однако при вы-
соком давлении паров воды может находиться в жидком состоянии при темпера-
туре 700ºС.
Исследование электропроводности силикатных расплавов показало, что
она имеет ионную природу. Примером может служить распределение серы между
металлом и шлаком в металлургической плавке.
Усилению электролитической диссоциации силикатов содействует высокая
диэлектрическая постоянная расплавленной кремниевой кислоты. Среди элемен-
тов магмы встречается ионная и ковалентная связь, образуются комплексные ио-
ны типа
AlSiO
4
1–
, AlSi
3
O
8
1
–
. В расплавах присутствует
O
2–
и его концентрацией
пользуются как индикатором щелочности расплава.
Магма характеризуется кислыми или основными свойствами. По убыва-
нию основности (щелочности) катионы образуют ряд:
Cs > Rb > K > Na > Li > Ba
> Sr > Ca > Mg > Fe
2+
. По В.В. Щербине (1964), анионы изополикремниевых
кислот образуют ряд с повышающейся кислотностью:
SiO
4
4–
< Si
2
O
6
4–
< Si
3
O
8
4–
<
Si
4
O
10
4
–
. Чем крупнее анион при одном и том же заряде, тем легче он отрывается
от катиона, тем сильнее у него кислотные свойства. Дальнейшее возрастание кис-
лотных свойств происходит при переходе от силикатов к алюмосиликатам
(
AlSiO
4
–
, AlSi
6
O
6
–
, AlSi
3
O
8
–
): Si > B > P > Al
. Снижение основности оксидов повы-
шает кислотность и подвижность силикатного расплава и приводит к расслоению
его на две несмешивающиеся жидкости. Летучие компоненты повышают кислот-
ность и подвижность силикатного расплава. В процессе дифференциации проис-
ходит отжим жидкой фазы от породы, а при кристаллизации в расплаве увеличи-
вается количество
SiO
2
,
летучих соединений и воды, уменьшается содержание ос-
нований.
На ранних стадиях выкристаллизовываются темноцветные минералы
(пироксен, амфибол, биотит), позже – светлые полевые шпаты, кварц
.
В кислом расплаве окислительно-восстановительный потенциал выше, чем
в щелочном. Поэтому в кислой среде элементы стремятся восстановиться, а в ще-
лочной – окислиться. Вязкость магмы вызывается следующими геохимическими
особенностями. Ультраосновные и основные магмы менее вязкие, так как оксиды
образуют форму близкую к шарообразной форме. Кислые магмы вязкие, так как
кремниевая кислота может быть представлена в них в виде тетраэдра (
Si
2
O
7
),
за-
мкнутых колец (
Si
3
O
9
, Si
6
O
18
), цепи (
SiO
3
), ленты (
Si
4
O
11
), т.е. длинных, с трудом
поворачивающихся для полимеризации в расплаве, молекул. Если на место атома
кислорода становятся
F, Cl, OH
, то цепь укорачивается и легче идет образование
кристаллической решетки:
Формат:
Список
79
Вязкость повышается в расплавах, обогащенных
Al
2
O
3
, частично
Na
2
O
и
понижается с увеличением содержания
FeO, MnO, MgO
, особенно летучих соеди-
нений (
H
2
O, CO
2
, HF, HСl, H
2
S, B
2
O
3
, WO
3
). Подвижность ионов зависит от их по-
ложения в структуре силикатного расплава. Подвижны ионы с "дальней структу-
рой" и меньшей энергией связи, поэтому щелочные металлы более подвижны.
Освобожденные ионы щелочных металлов образуют свободные структурные
группы
R – OH
, не связанные с основной структурой расплава. Для магмы харак-
терно два типа массопереноса:
диффузия
и
конвекция
. Важное значение в массо-
переносе имеют газовые растворы – флюиды. Согласно Ф.А.Летникову (1985),
основой всех эндогенных флюидных систем служат углерод и водород. В связи с
этим он различает
С
-структуры и
Н
-структуры.
Углеродные структуры
встречаются в глубинных разломах и зонах с угле-
родной спецификацией флюидов. Вследствие эволюции этих систем образуются
карбонатиты, кимберлиты, щелочные породы с высоким содержанием карбона-
тов, углеводородов и графита. С ними связаны месторождения алмазов,
Ta, Nb,
Zr, Tr.
Для
водородных структур
характерна
H
2
O
в флюидах и меньшая глубина
залегания магм. Образуются породы кислого и основного состава и рудные ме-
сторождения. В чистом виде такие структуры не существуют. Для летучих ком-
понентов основных магм характерен
CO
2
, для кислых –
H
2
O
.
Магматические минералы при кристаллизации удерживают изоморфно
много примесей. Поэтому их формулы сложные. Здесь изоморфны многие ионы,
что невозможно было бы в гипергенных условиях. На примере магматических
минералов установлены главные закономерности изоморфизма.
Массоперенос магмы может происходить путем
"эманационной дифферен-
циации"
(концентрации), т.е. флотации пузырьков водяного пара, в котором раз-
бавлены другие газы и летучие компоненты, включая рудные (
Li, Be, Rb, Cs, Sn,
Nb, Ta,
и др.). Косвенную информацию о магматических системах дает вулка-
низм. Факты указывают на существование сиботаксичных групп и кластеров, т.е.
участков с упорядоченным строением. Магма состоит из обрывков полимерных
цепей силикатных и алюмосиликатных анионов. Чем выше температура магмы,
тем меньше этих групп. В деполимеризации ионов участвует
H
2
O
и
F.
Газы по-
нижают температуру ее плавления. В магме удерживаются углеводороды, биту-
мы, преобладают сильные катионы (
Na
+
, K
+
, Ca
+
, Mg
2+
)
над сильными анионами
(
Cl
–
, F
–
, OH
–
, CO
3
2–
, O
2–
),
что создает преобладающую слабощелочную среду.
Геохимическая классификация магматических пород отсутствует. Рассмотрим
особенности групп пород по содержанию
SiO
2
в магматических условиях.
8.2.
Свойства и состав магматических пород
Систематические единицы магматических пород в петрологии могут быть
обоснованы с геохимических позиций с учетом представлений о радиусах и заря-
дах ионов на основе идей В.М. Гольдшмидта и А.Е. Ферсмана. Геохимическая
Формат:
Список
80
классификация элементов была выполнена А.Е. Ферсманом для магматических и
гидротермальных условий по их участию в процессах:
1. Элементы кислых магм и пневматолитов –
Si, Al, H, He, Li, K, Rb, Cs, Be,
Ra, B, Ac, Hf, Th, Bi, Ta, Po, O, Mo, W, U, F, Ru, частично Ge, Sn, Pb, P, Zr,
Nb.
2. Сульфидных месторождений –
Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, As, Sb, S
,
Se
,
Te
, частично
Au, Ge, Sn, Pb, Re
.
3. Средних магм
: Na, Ca, Sr, Ba, C, Mn, Al, Si, P.
4. Основных и ультраосновных магм:
Mg, Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Ru, Pd,
Os, In, Pt.
А.И. Перельман (1989) приводит среднее содержание химических элемен-
тов в главных типах изверженных пород по А.П. Виноградову (1962) и А.А. Беусу
(1975): ультраосновные (дуниты и др.), основные (базальты и др.), средние (дио-
риты и андезиты), кислые (граниты, гранодиориты и др.). Для
Ru, Rh, Os, Ra, Ac,
Po
кларки неизвестны.
Ультраосновные породы или гипербазиты (ультрамафиты, ультрабази-
ты).
Генезис пород связан с верхней мантией. Потенциал кислорода низок в уль-
траосновных расплавах. Содержат углеводородные флюиды, обнаружены
Н
2
,
недоокисленные формы
Ti
3+
, Cr
2+
, C,
что указывает на восстановительные усло-
вия. Магма и минералы из нее недонасыщены
Н
2
О
(оливин, пироксен), резко по-
вышено содержание
Mg
– 25%,
Cr
– 0,2,
Ni
– 0,2, понижено
Si
– 19, низкое –
Al
–
0,45,
Na
– 0,57,
K
– 0,03,
Ti
– 0,03. В ультрабазитах преобладают
Mg
и
Fe
, в пикри-
тах, кимберлитах и пироксенитах –
Mg, Fe, Ca
, повышено содержание щелочных
металлов и других элементов (
Na, K, Li, B, C, Rb, Sr, P, Ti, Zr, Nb, Cs, Ba, Ta, Pb,
U, Th
). С ультраосновными породами связаны месторождения хромита, платины,
титаномагнетита, алмаза (в кимберлитовых трубках взрыва) (рис. 10).
Основные породы или базиты (мафиты – базальты, габбро и др.).
Проис-
хождение основной магмы связывают с выплавлением из мантии. Для нее харак-
терна концентрация
Ni, Cr, Co, Mg, Mn
, что близко по содержанию к ультраос-
новной магме. Специфичны
Sc, Ca, V, Cu, Ti, Sb, F, P, Zn, Cd
, мало встречается Be,
Ta, U, Tl, Th,Cs, Cl, Rb, K,B
. Однако основные геохимические типы базальтоидов
отличаются по химическому составу, что видно из величины коэффициента
(табл.9).
При фракционной дифференциации основных магм соблюдается принцип
"когерентности", т.е. сопряженное изменение содержания петрогенных и редких
литофильных элементов –
Y, Zr, Nb, La, Ce, Ba, Rb
и др. (рис. 11).
С дифференциацией основной магмы связано образование медно-
никелевых, титано-магнетитовых и других месторождений. Кристаллизацию уль-
траосновных и основных пород А.Е. Ферсман назвал
протокристаллизацией
. Ха-
рактерные элементы ее имеют четные порядковые номера и валентности, малые
радиусы ионов (рис. 12).