Магматическая кристаллизация

Температуры минералообразования наиболее высокие: 1000–1600 ^оС - при кристаллизации магм, излившихся на поверхность, и 700–1000 ^оС - при кристаллизации магм на глубине, в плутонических условиях. Некоторые щелочные, базитовые (основные) и гипербазитовые (= ультраосновные или ультрабазитовые) магмы кристаллизуются и при большей температуре. В среднем температуры кристаллизации вулканитов выше, чем плутонитов, так как идет повышение температуры за счет окисления кислородом
воздуха.

Роль давления - удержание в расплаве летучих компонентов магмы: H₂O, CO₂, B, P₂O₅, F, Cl и др.; присутствие этих компонентов значительно снижает температуру кристаллизации магмы.

Химизм. Преобладающие компоненты магматического расплава (их принято выражать в виде оксидов) - это SiO₂, Al₂O₃, FeO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O. Эти компоненты слагают главную массу минералов магматических пород, и их называют породообразующими. В сумме на их долю приходится около 90 % состава минералов, кристаллизующихся преимущественно в виде силикатов и алюмосиликатов.

Кроме преобладающих (породообразующих) компонентов в расплаве находятся так называемые рассеянные компоненты - MnO, BaO, NiO. Они в основном не дают самостоятельных минералов, а рассеиваются в виде примесей в решетках породообразующих минералов.

Присутствуют также в расплаве и акцессорные компоненты - ZrO₂, P₂O₅, TiO₂, Cr₂O₃, TR₂O₃, Fe₂O₃. Они содержатся в незначительных количествах, но даже при низком содержании стремятся обособиться в виде самостоятельных минералов. При этом они обычно образуют несиликаты: фосфаты - апатит, монацит; окислы - рутил, хромит, магнетит.

Наиболее важным при оценке химизма магматических процессов является содержание в расплаве кремнезема, которое может меняться
от 25 до 80 %.

По содержанию кремнезема магматические породы делятся на:

	Le Bas et al., 1992	Петр. кодекс, 1995
ультраосновные (гипербазиты)	SiO2 £ 45 вес. %	SiO2 £ 44 вес. %
основные (базиты)	SiO2 45–52 вес. %	SiO2 44–53 вес. %
средние (мезиты)	SiO2 52–63 вес. %	SiO2 53–64 вес. %
кислые (ацидиты)	SiO2 ³ 63 вес. %	SiO2 ³ 64 вес. %

Кроме того, особо выделяют щелочные породы, которые отличаются высоким содержанием щелочей - S (Na₂O + K₂O), а по содержанию SiO₂ могут быть от кислых до ультраосновных, хотя большая часть их соответствует средним (53–64 вес. % SiO₂), что связано с особенностями накопления щелочей в ходе эволюции расплавов.

Последовательную смену парагенезисов, отвечающих породам нормального ряда, можно представить как реакционный ряд Боуэна. Американский петролог Н. Боуэн показал, что кристаллизация расплава начинается с образования наиболее тугоплавких, богатых Mg и Fe силикатов. Позже, по мере снижения температуры, в результате реакций с расплавом, к ним присоединяются Ca-Mg силикаты и алюмосиликаты Са, Na и К. В итоге образуется прерывистый ряд существенно железо-магнезиальных силикатов, называемых фемическими (от Fe-Mg) или мафическими (от Mg-Fe), и непрерывный параллельный ряд салических (от Si-Al) Ca-Na алюмосиликатов. Соответственно выделяют две ветви реакционного ряда Боуэна (рис. 10). Что из этого ряда следует?

1) По мере кристаллизации расплава более поздние минералы оказываются более кислыми, т. е. богаче кремнеземом. Сравним: плагиоклазы по мере кристаллизации обогащаются альбитовым, более высококремнистым, миналом, а состав пироксена отличается от оливина лишь количеством кремнезема, и образование его можно представить как реакцию ранее выкристаллизованного оливина с кремнеземом расплава: (Mg,Fe)₂[SiO₄] + SiO₂ Þ (Mg,Fe)₂[Si₂O₆] (Отметим только, что в зависимости от условий кристаллизации и состава системы порядок кристаллизации минералов, например, орто- и клинопироксена, может меняться.)

2) Крайние члены ряда разделены промежуточными продуктами реакции и потому не могут равновесно сосуществовать друг с другом. Это означает, например, что кварц не может сосуществовать с оливином в равновесном парагенезисе. Случаи нарушения ряда Боуэна при повышении химического потенциала Fe и щелочей мы здесь не рассматриваем. Таким образом, каждая порода будет иметь свою парагенетическую ассоциацию минералов. Рассмотрим подробнее главные из них.

Ультраосновные породы. Парагенетическая ассоциация минералов – одна из наиболее высокотемпературных. Главные минералы – оливин (Ol), пироксены (Px). Породы, содержащие Px и Ol в сравнимых количествах, называются перидотитами. Существенно оливиновые породы называются в зависимости от акцессорных минералов; если с оливином ассоциирует магнетит, то это - оливинит, а если оливин с хромитом, то это - дунит. Для названных пород весьма характерены ортопироксены – энстатит, бронзит или гиперстен. Преимущественно пироксеновые породы – пироксениты – до 1995 годабыло принято относить также к ультраосновным, однако после принятия Петрографического Кодекса их относят к основнымпородам. Соотношение пород показано на рис. 11.

Разновидностью перидотитов являются лерцолиты, имеющие парагенезис Ol + Opx + Cpx (в зависимости от глубинности образования могут присутствовать Pl и/или Sp и/или гранат – пироп). Характерная особенность – то, что Срх в них богат Cr (хромдиопсид). Образование лерцолитов происходит при кристаллизации ультраосновных расплавов (их находят в расслоенных массивах), они также слагают верхнюю мантию, о чем можно судить по ксенолитам, вынесенным основными или ультраосновными вулканическими породами (базальтами, кимберлитами, и др.).

К ультраосновным породам относят кимберлиты – специфические породы трубок взрыва, – также зарождающиеся в верхней мантии и выносимые на поверхность эксплозивным путем. Они обычно содержат большое количество обломочного материала, в том числе оливин, ильменит, пироп (магнезиальный гранат), диопсид, флогопит, энстатит, хромит, иногда алмаз. В основной массе находится вторая генерация минералов, среди которых обычны оливин, монтичеллит, флогопит, перовскит, шпинель, апатит, а также позднемагматические карбонаты и серпентин.

Основные породы. Главные минералы – оливин, пироксены и основной плагиоклаз, в подчиненном количестве может быть роговая обманка (Hbl). В зависимости от того, какой пироксен преобладает, различают: габбро (Срх + Pl), габбронориты (Cpx + Opx + Pl), нориты (Opx + Pl). Клинопироксен – авгит или диопсид. Незначительное присутствие Hbl обычно отражается в названии – роговообманковое габбро.

К основным породам относятся пироксениты, как уже показано выше, а также горнблендиты – нетипичная ассоциация, когда при повышенном парциальном давлении воды в ходе снижения температуры оливин и пироксены почти нацело замещаются амфиболом, а плагиоклазы не образуются или находятся в резко подчиненном количестве.

Средние породы. По ряду Боуэна видно, что роговая обманка образуется при более низких температурах, и в ее составе впервые появляется вода в виде группы (ОН)^-. Для средних пород характерна ассоциация роговой обманки (и частично – биотита) со средними плагиоклазами – диориты, здесь уже может появляться свободный кремнезем (кварц). Другой очень важной породой является сиенит, для которого характерна ассоциация роговой обманки и/или биотита (а иногда с ними, или вместо них, и пироксена – диопсида или эгирин-авгита) с калиевым полевым шпатом KFsp (Fsp – feldspar или feldspat), т. е. Bt + KFsp или Hbl + KFsp. Возможны и промежуточные ассоциации с большим количеством как плагиоклаза, так и калишпата.

Кислые породы. Это породы, в которых избыточный, непрореагировавший кремнезем выделяется в свободном виде как кварц, причем количество его становится существенным. Типичными минералами кислых пород помимо кварца будут биотит (м. б. и Hbl), KFsp, кислые Pl, все это – парагенетическая ассоциация гранитов. Присутствие второстепенных минералов так же отражается в названиях: с роговой обманкой – роговообманковый гранит, при высоком содержании темноцветов порода становится переходной к диориту – гранодиорит.

Щелочные породы. Парагенетическая ассоциация этих пород не находит своего отражения в ряде Боуэна. По содержанию кремнезема эти породы соответствуют средним, то есть не содержат избыточного кремнезема. Это означает, что кварц для парагенетических ассоциаций щелочных пород противопоказан.

Для щелочных пород в зависимости от соотношения щелочей и глинозема выделяют два типа: если (Na₂O + K₂O) ³ Al₂O₃, это породы агпаитового ряда, если же сумма щелочей ниже содержания глинозема, то ряд называется миаскитовым. В первом случае количества щелочей хватает, чтобы связать весь глинозем и соответствующее количество кремнезема в нефелине и полевом шпате, и еще остается для образования щелочных темноцветных минералов, и тогда парагенетическая ассоциация будет:
нефелин + кали­шпат + эгирин (щелочной клинопироксен) + арфведсонит (щелочной амфибол) + эвдиалит-эвколит + астрофиллит-лампрофиллит + титанит (сфен) + апатит и ряд других минералов. Типичным примером агпаитовых щелочных пород являются нефелиновые сиениты Кольского полуострова (массивы Хибин и Ловозера). В миаскитовых нефелиновых сиенитах (по станции Миасс на Урале) щелочей хватает только на образование нефелина и полевого шпата, и ассоциация характеризуется парагенезисом: нефелин + калишпат + биотит (или роговая обманка, или клинопироксен - эгирин-диопсид) + циркон + пирохлор + апатит + титанит. Широко развито позднее замещение нефелина содалитом, канкринитом, альбитом, цеолитами.

Особо следует остановиться на случае, когда магматический расплав является одновременно и щелочным, и ультраосновным. Такой расплав насыщен большим количеством летучих (в первую очередь СО₂, Р₂О₅, F, Н₂О). При кристаллизации его, как правило, образуются кольцевые массивы, наружная зона которых сложена ультраосновными породами (оливинитами), промежуточные зоны – щелочными породами, а к центральной части бывают приурочены особые, существенно карбонатные породы - карбонатиты, которые являются продуктом кристаллизации остаточного расплава. В нем как раз и концентрируются летучие компоненты, а также акцессорные элементы. В парагенетической ассоциации карбонатитов могут сочетаться минералы ультраосновного и щелочного парагенезисов - оливин, флогопит, магнетит и тут же - нефелин, апатит, редкоземельные и циркониевые минералы, характерные для щелочных пород, и карбонаты - кальцит, доломит, анкерит, сидерит.

Роль температуры и давленияпри магматическом минералообразовании тесно связана со скоростью охлаждения. Так, эффузивы - неравновесные породы (вкрапленники+вулканическое стекло); они кристаллизуются при высокой температуре и при отсутствии или очень низком содержании летучих компонентов. Вкрапленники, кристаллизуясь до извержения, соответствуют по составу более высокотемпературным ассоциациям. При излиянии лавы на поверхность летучие энергично уходят из расплава, но в отсутствие летучих затруднено образование таких минералов, как биотит и амфиболы. Из-за быстрого охлаждения минералы-вкрапленники не приходят в равновесие с вмещающим расплавом. Фемические компоненты в значительной степени остаются в стекле. Это значит, что при одинаковом составе исходного расплава парагенезис минералов в эффузивных породах будет иным, чем в плутонических.

Роль давления при магматическом минералообразовании сказывается и на составе минералов, и на формировании парагенетических ассоциаций. Например, в базальте вкрапленники плагиоклаза оказывются более основными, чем в аналогичных по составу габбро, а вкрапленники пироксена и оливина - более магнезиальными, чем в соответствующей плутонической породе. Вкрапленники при этом часто обна­руживают признаки неравновесности с расплавом - оплавленность, изъеден­ность, реакционные каймы. Вулканическое стекло тоже неустойчиво - оно представляет собой подобие переохлажденного расплава и со временем подвергается девитрификации (де - без, витро - стекло) - раскристаллизовывается с образованием тонкозернистой массы между вкрапленниками. Что касается изменения состава, уже отмечалось, что в глубинных ультраосновных породах появляются хромсодержащие силикаты. Давление также способствует образованию минералов с более плотными структурами, например, при повышении давления основной плагиоклаз - анортит, у которого довольно рыхлая каркасная структура, - становится неустойчивым, и вместо него образуются более плотные минералы - гранат и кианит (дистен): 3Ca[Al₂Si₂O₈] (анортит) ® Ca₃Al₂[SiO₄]₃ (гроссуляр) + 2Al₂SiO₅ (кианит) + SiO₂, то есть вместо минеральной ассоциации габбро (анортит + пироксен) будет возникать совсем иная парагенетическая ассоциация гроспидитов (грос - от гроссуляра, пи - от пироксена и дит - от дистена).

Подведем итог: парагенетическая ассоциация при магматическом минералообразовании зависит не только от состава магмы, но и от условий образования, в первую очередь - от глубины, на которой кристаллизуется магматический расплав, а также количества летучих (Н₂О, СО₂) и кислорода.

Остановимся теперь на явлениях, которые сопровождают магматическое минералообразование.

1. Кристаллизационная дифференциация. Может случиться так, что после кристаллизации более основных минералов оставшаяся более легкоплавкая и более кислая часть расплава уйдет по трещинам в результате тектонических подвижек и обособится от ранних продуктов кристаллизации. При этом на старом месте останутся минералы ультраосновного парагенезиса, а на новом месте они образовываться уже не будут - и температура расплава уже ниже, и состав его стал более кислым. Возникнет основная или средняя порода. При неоднократном отделении все более поздних и более кислых продуктов от более ранних можно получить весь ряд
дифференциатов (или дериватов) от ультраосновных до средних. Подтверждение этому видят в частом расположении на небольшом удалении друг от друга массивов основных и ультраосновных пород, а также в геохимических данных, например, изотопных отношениях некоторых элементов. Изотопный состав некоторых элементов достаточно инертен и остается неизменным даже в расплаве, поэтому близкие изотопные отношения в таких массивах свидетельствуют об их родственном образовании.

2. Гравитационная дифференциация. Выкристаллизовавшиеся первыми тяжелые рудные и фемические минералы (существенно Mg-Fe), имеют большую плотность, чем плотность расплава. Поэтому под действием сил гравитации они могут опускаться на дно магматической камеры. Так образуются донные залежи хромита в массивах ультраосновных пород. Гравитационная дифференциация характерна для ультраосновных, основных и щелочных магм, поскольку эти магмы имеют низкую вязкость из-за меньшего содержания кремнезема. Однако в щелочных магмах возможено другое проявление гравитационной дифференциации. Появление вначале каркасных алюмосиликатов с низкой плотностью (лейцит или полевой шпат) приводит к их всплыванию и накоплению в верхней части магматической камеры. Так объясняется образование уникальных мономинеральных лейцитовых пород – сынныритов.

3. Ликвационная дифференциация. Если исходная магма богата серой, фосфором и некоторыми другими летучими, то в ходе ее кристаллизации уже в начале может произойти ликвация (ликвацио - разжижение) - разделение единого расплава на две несмешивающиеся жидкости: силикатный расплав и сульфидный расплав. Эти жидкости будут обладать различной подвижностью и различным удельным весом, и дальнейшая кристаллизация их может вызвать явления гравитационной дифференциации – образующиеся сульфиды, как более тяжелые, могут осесть на дно и образовать донную рудную залежь. А могут образовывать линзовидные скопления (шлиры), или, если сульфидный расплав обособлялся в виде капель в силикатном, эмульсионную вкрапленность сульфидов в силикатной породе. Такой ликвационно-маг­ма­ти­чес­кий генезис имеют сульфиды Cu, Ni, Fe, образующие большие скопления, связанные с основными породами. К этому типу относят месторождения медно-никелевых руд Норильска, Монче­тундры.

4. Ассимиляция и контаминация. При внедрении магмы во вмещающие породы часто происходит поглощение обломков этих пород и их растворение в магматическом расплаве. Такое поглощение, усвоение вмещающих пород называется ассимиляцией. Если ассимилировано большое количество таких обломков и вмещающие породы заметно отличаются от магматического расплава по химическому составу, то происходит изменение состава расплава - обогащение его компонентами вмещающих пород. Такое загрязнение («усреднение») состава за счет ассимилированного материала называют контаминацией. (Обратите внимание на правильное употребление обоих терминов, например: «контаминация магмы известняками», но «ассимиляция магмой известняков»). Оба эти явления могут заметно сказаться на составе минералов, которые будут кристаллизоваться из такого расплава, и даже на характере парагенетической ассоциации. Например, при внедрении гранитного расплава в известняки и ассимиляции их заметно увеличивается в расплаве содержание Са, и при кристаллизации будет образовываться не кислый плагиоклаз, что характерно для нормальных гранитов, а более основной. В результате ассимиляции гранитной магмой глиноземистых пород (например, слюдистых сланцев) при кристаллизации в граните могут появиться такие высокоглиноземистые минералы, как кордиерит (Mg,Fe)₂[Al₄Si₅O₁₈] или андалузит AlAl[SiO₄]O.

5. Десиликация. Если расплав, богатый кремнеземом, внедряется в породы, бедные кремнеземом (например, известняки или ультраосновные породы), то происходит извлечение SiO₂ из расплава за счет связывания его магнием, кальцием, железом вмещающих пород. Это приводит к обеднению расплава кремнеземом и нарушению изначально нормальной пропорции кремнезема и глинозема, Al₂O₃ оказывается в вынужденном избытке, и потому вместо обычных алюмосиликатов возникают минералы, обогащенные алюминием, количество кварца уменьшается, а иногда он исчезает сов­сем. Если при этом количество глинозема оказывается особенно велико, он может выделиться в свободном виде, образуя корунд.

6. Автометаморфизм. Слово означает самопревращение, самоизменение. В чем суть явления? В том, что продукты магматической кристаллизации подвергаются воздействию более поздних (остаточных) порций расплава той же магмы или воздействию обособившихся из этой же магмы летучих. Все эти воздействия происходят в пределах единого геологического процесса магматической кристаллизации без привноса вещества извне(!). Такое воздействие мы уже видели: реакция оливина с расплавом с образованием пироксена, дающего реакционные каемки вокруг ядра, в котором оливин - законсервированный реликт, не успевший прореагировать и отделенный затем от расплава пироксеном. Яркий пример автометаморфизма – серпентинизация ультраосновных пород за счет ранее растворен-ной в магме, а затем обособившейся воды. Такая серпентинизация распространена очень широко, и часто от ранних оливина и пироксенов остаются только псевдоморфозы. Нередко именно с явлениями автометаморфизма связывают образование по ультраосновным породам промышленных месторождений серпентин-асбеста и талька.

Здесь мы подходим к оценке процессов магматического минералообразования с точки зрения их практической значимости. В ряде случаев эти процессы приводят к образованию повышенных концентраций некоторых промышленно важных минералов и их месторождений.

1) C ультраосновными породами связаны:

а) алмазы (в кимберлитах и перидотитах) - Якутия, Южная Африка;

б) хромиты (в дунитах) - Урал, Казахстан, Монголия;

в) платина и платиноиды (в хромитоносных дунитах) - Урал;

2)с основными породами:

а) ильменит-титаномагнетит - Урал, Казахстан;

б) Cu-Ni сульфидные ликвационно-магматические месторождения - Норильск, Мончетундра, Сёдбери (Канада);

в) платина и палладий - Восточная Сибирь;

3) со щелочными, ультраосновными-щелочными породами и кар­бо­натитами:

а) крупнейшие месторождения апатита (сырья для фосфорных удобрений) - Хибины (Кольский полуостров);

б) комплексные месторождения - магнетит, слюда (флогопит), апатит, а также минерализация на TR, Nb, Sr, Ti, U - карбонатиты Ковдора, Африканды (Кольский п-ов).

Собственно магматические породы нередко являются ценным сырьем и используются как облицовочный и строительный камень, отделочный камень (розовые туфы Армении, лабрадориты Украины).