Вулканические возгоны (эксгаляции)

Образование минералов этого генетического типа связано с деятельностью летучих компонентов, отделившихся от магмы и покинувших место ее кристаллизации. Это случается, когда магматический очаг оказывается связанным системой тектонических трещин с земной поверхностью (чаще всего это возможно при образовании вулканических аппаратов, в областях активного вулканизма). Прежде всего, отметим, какие именно летучие компоненты участвуют в эксгаляционном минералообразовании. Это: H₂O, HCl, NH₄Cl, H₃BO₃, H₂S, CO₂, P₂O₅ и др. Именно эти компоненты обнаружены при изучении газовой составляющей современных вулканических извержений, причем содержание их, особенно Н₂О в виде пара, может быть весьма значительным.

Встречный поток поверхностных вод, вымывающий на своем пути из горных пород некоторые соединения, в областях активного вулканизма прогревается до парообразного состояния и смешивается с летучими компонентами, отделившимися от магмы, реагирует с ними, образуя газообразные и парообразные галогениды и гидраты Fe, As, Sb, Hg (рис. 13).

Поднимаясь по вулканическим трещинам вверх, эти летучие соединения попадают в так называемую область разгрузки - вблизи жерл вулканов, при выходе трещин на поверхность. Здесь они дают начало новым, уже нелетучим, соединениям, которые оседают на стенках трещин, жерл в виде возгонов или эксгаляций, образуют конусы и трубы над местами выхода газовых струй. Какие при этом идут реакции и какие возникают минералы? Вулканические эксгаляции - это тот редкий случай, когда минерало-образование удается проследить прямо на месте, например, на Камчатке, на вулканах Курильских островов.

Благодаря этому такие реакции хорошо изучены. Из них главную роль играют реакции окисления; например, окисление сероводорода кислородом атмосферы с образованием самородной серы:

2H₂S + O₂ ® 2H₂O + SO₂ + S¯ (сера самородная);

2H₂S + SO₂ ® 2H₂O + 3S¯.

Для примера приведем еще одну реакцию эксгаляционного образования гематита (за счет взаимодействия паров хлорного железа с водой):

2FeCl₃ + 3H₂O ® Fe₂O₃¯ (гематит) + 6HCl.

Аналогичным путем в виде вулканических возгонов образуются: галогениды - галит NaCl, сильвин KCl, нашатырь NH₄Сl; сассолин (борная кислота) H₃BO₃; сульфиды - пирит FeS₂, реальгар As₄S₄, аурипигмент As₂S₃, киноварь HgS, висмутин Bi₂S₃. Поскольку сера, окисляясь, может образовывать ион SO₄^2-, возникают также сульфаты - гипс CaSO₄×2H₂O, квасцы - KAl[SO₄]₂× 12H₂O, алунит KAl₃[SO₄]₂(OH)₆.

Весьма характерной является форма выделений образующихся минералов. Это корочки выцветов, мелкокристаллические друзы, тонкозернистые налеты. Легкоплавкие минералы, например, сера, образуют застывшие потоки, сталактиты, каплевидные и гроздевидные натеки; при выделении сероводорода H₂S через воду вулканических озер образуется тонкодисперсная сера, которая затем оседает на дно этих водоемов, образуя «серный песок».

В практическом отношении наибольшее значение эксгаляционное образование имеет для самородной серы и сассолина H₃BO₃ - целые месторождения этих минералов, уже очень давно разрабатывающиеся, известны в Сицилии и на Курильских островах.

Пегматитовый процесс

Рассмотрим случай, когда легколетучие компоненты, накапливающиеся при кристаллизации магмы, не имеют возможности уйти из расплава, как это происходит при образовании вулканических возгонов. Тогда летучие компоненты постепенно отжимаются в еще незакристаллизовавшуюся часть расплава и насыщают его. Обычно это происходит в конце магматической кристаллизации. Такой богатый, а иногда и пересыщенный летучими компонента­ми расплав называют остаточным.

В нем помимо ле­тучих компонен­тов будут также на­капливаться эле­­мен­ты, которые не вош­ли в состав по­­ро­до­об­ра­зу­ю­щих мине­ра­лов (вследствие раз­личия ион­­ных радиусов или по причине рез­ко отличных хи­­­ми­­чес­ких свойств).

Это такие элементы, как Li, Cs, Be, Ta, Nb, Sn, W, U, Th. Значит, остаточный расплав будет существенно отличаться концентрацией этих элементов от исходной магмы. Все это приводит к тому, что и кристаллизация такого расплава протекает существенно иначе. Рассмотрим главные особенности пегматитового минералообразования.

1. Обогащение остаточного расплава летучими компонентами делает его менее вязким, легкоподвижным и снижает температуру кристаллизации. Состав расплава становится эвтектическим (котектическим). Эвтектика - это легкоплавкий расплав, из которого идет одновременная совместная кристаллизация двух минералов. В случае гранитного остаточного расплава такой парой являются полевой шпат и кварц, в то время как при обычной кристаллизации гранитов полевые шпаты образуются существенно раньше кварца. Одновременная эвтектическая кристаллизация полевого шпата и кварца приводит к появлению закономерных, так называемых «графических» (письменных) срастаний этих минералов, которые первоначально и получили название пегматит (рис. 14).

2. По мере снижения температуры эвтектическая кристаллизация графических агрегатов сменяется образованием очень крупных индивидов полевого шпата и кварца. Именно вследствие разжижения расплава летучими ионы, строящие решетку этих минералов, могут легко передвигаться, и это обеспечивает хорошее питание растущих кристаллов. Такие агрегаты, состоящие из крупных индивидов кварца и полевого шпата, называют пегматоидными.

3. При дальнейшем остывании остаточного расплава пегматоидная кристаллизация сменяется образованием блоковых агрегатов. Это значит, что отдельные кристаллы полевого шпата и кварца из пегматоидных срастаний начинают разрастаться, вытесняя кристаллы другого минерала, и образуют гигантские индивиды - блоки, иногда по несколько тонн весом. Чаще такое преимущество получает полевой шпат, иногда образуется чисто полевошпатовая зона.

4. После исчерпания материала для кристаллизации блокового полевого шпата остающийся в избытке кварц завершает кристаллизацию, образуя так называемое кварцевое ядро. Важную роль в его формировании играют и постмагматические процессы. Если остаточный расплав кристаллизуется в замкнутой полости внутри массива гранитов, то в соответствии с описанным механизмом кристаллизации в пегматитовом теле возникает зональность, показанная на рис. 14.

Если же остаточный расплав по тектоническому нарушению переместится во вмещающие гранитный массив породы, то может возникнуть жильное тело пегматита с такой же зональностью, однако здесь часто
хрошо развита еще одна самая внешняя зона - аплитовая. Она сложена мелкозернистым кварц-полевошпатовым агрегатом, который кристаллизуется вдоль стенок трещины, видимо потому, что по сравнению с остаточным расплавом стенки трещин значительно более холодные, и это сразу вызывает кристаллизацию множества зародышей. В жильных телах пегматитов наиболее поздний кварц, слагающий осевую часть жилы, именуют не кварцевым ядром, а кварцевой осью жилы.

5. К зоне кварцевого ядра или кварцевой оси бывают приурочены полости, стенки которых усажены хорошо образованными кристаллами дымчатого кварца, топаза, берилла, турмалина, - так называемые занорыши.

А как проявляются в минералообразовании летучие, не входящие в состав полевого шпата и кварца, но обеспечивающие протекание пегматитового процесса? Они удерживаются в остаточном расплаве наиболее долго, хотя и начинают принимать участие в минералообразовании во время формирования блоковой зоны, а иногда и раньше. Они входят в состав слюды (мусковита), топаза, турмалина, флюорита, апатита.

Согласно первоначальной схеме образования пегматитов, предложенной А. Е. Ферсманом, в какой-то момент летучие настолько обогатят остаточный расплав, что он постепенно превратится в надкритическую флюидно-газообразную среду, богатую силикатами (Ферсман ошибочно связывал с ней формирование пегматоидных агрегатов), а затем - в высокотемпературный гидротермальный раствор. По экспериментальным данным такого постепенного перехода расплава в растворы нет и обособление постмагматических растворов происходит путем вскипания кристаллизующегося пегматитового расплава. С обособлением крупных флюидных пузырей связано формирование занорышей магматического этапа и минерализации в них. Кроме того, постмагматические растворы начинают взаимодействовать с минералами, образовавшимися на предшествующих этапах, выщелачивать и изменять их, вызывая метасоматические замещения одних минералов другими. Такие изменения и замещения ранних минералов более поздними могут происходить в несколько стадий и сопровождаются переотложением вещества в пределах пегматитового тела и усложнением его состава.

Именно с этим этапом поздних метасоматических преобразований в пегматите бывает связано образование таких промышленно важных минералов, как слюда, берилл, сподумен (Li), танталит-колумбит (Ta, Nb), касситерит (Sn). Представление об образовании пегматитов из остаточного расплава развивалось трудами ряда российских ученых, уточнявших значение отдельных этапов для формирования промышленных пегматитов разных типов (редкометальных, редкоземельных, слюдяных, керамических пегматитов). Изучение некоторых пегматитовых тел и целых полей
пегматитов привело к представлению, что не всегда их образование связано с кристаллизацией остаточного расплава. А. Н. Заварицкий, например, считал, что образование таких крупнокристаллических пород может происходить за счет перекристаллизации и укрупнения минералов породы, сходной по минеральному составу. Особенно много взаимоисключающих гипотез предложено для объяснения генезиса и особенностей строения редкометальных и мусковитовых пегматитов. Это означает, что в каждом конкретном случае необходимо изучение объекта на месте и лабораторными методами для установления способа его образования, генезиса.

Остановимся еще на некоторых явлениях, сопровождающих пегматитовое минералообразование. Основположник изучения пегматитов А.Е. Ферсман выделял пегматиты чистой линии, когда остаточный пегматитовый расплав кристаллизуется в породах, близких по химическому составу. Очевидно, что в этом случае никакого влияния вмещающих пород не будет, и минеральный состав таких пегматитов целиком определяется составом остаточного расплава.

Если же расплав попадает в породы, резко отличные по химизму, то происходит его взаимодействие с этими породами, которое меняет состав расплава. Такие пегматиты Ферсман называл пегматитами линии скрещения. Частным случаем пегматитов линии скрещения являются десилицированные пегматиты, – когда при внедрении гранитного пегматитового расплава в ультраосновные породы, с одной стороны, происходит десиликация расплава (вплоть до исчезновения кварца из продуктов кристаллизации), а с другой - расплав обогащается компонентами ультраосновных пород (в первую очередь - магнием и хромом). Это приводит к появлению флогопита (магнезиальной слюды), не характерного для обычных гранитных пегматитов, и к появлению, хромсодержащего изумруда вместо обычного берилла. Примером десилицированных пегматитов является месторождение «Изумрудные копи» на Урале, где известна именно такая ассоциация - с полевым шпатом, но без кварца, с изумрудом, хризобериллом в слюдяных флогопитовых оторочках, так называемых слюдитах.

При внедрении пегматитового расплава в породы, богатые глиноземом, происходит обогащение его Al₂O₃ и появление в парагенезисе андалузита, силлиманита, кианита, альмандина, а при избытке глинозема, когда кремнезем уже весь связан, возможно появление корунда. Особенно эти изменения бывают заметны в приконтактовых частях жил.

Кристаллизация гранитного пегматитового расплава в карбонатных толщах приводит к выносу К и кремнезема и привносу Са (образование пла­гиоклазитов).

Кристаллизация пегматитового расплава в трещинах, секущих толщу магнезиальных известняков (Кухи-Лал, Памир), сопровождалось частичным выносом кремнезема и привносом Mg, что привело к появлению в пегматите оторочки флогопита, кордиерита (Mg), дравита (Mg-турмалина) и силлиманита.

Заканчивая рассмотрение пегматитового минералообразования, отметим, что накопление летучих в остаточном расплаве свойственно не только кислым магмам. Значит, пегматиты как продукт кристаллизации остаточного расплава могут образоваться при кристаллизации любых пород. Действительно, известны габбро-пегматиты, дунит-пегматиты, сиенит-пегматиты и пегматиты нефелиновых сиенитов. Однако, за исключением последних двух, встречаются они гораздо реже гранитных.

Кроме того, гранитные пегматиты могут быть связаны не только с кристаллизацией остаточных расплавов, возникающих при дифференциации гранитных магм (камерные, редкометальные), но и с процессами анатектического выплавления расплавов при региональном метаморфизме высокой ступени (мусковитовые, редкоземельные, керамические). Магматический этап формирования остаточных гранитных пегматитов находится в пределах 700–500 ^оС, анатектических - 850–650 ^оС. При более низких температурах идут процессы постмагматической переработки ранних агрегатов.

Образование пегматитов происходит на относительно небольших глубинах: камерных (хрусталеносных и флюоритоносных) - на глубине 1,5–3,5 км, редкометальных - 3,5–7 км, мусковитовых - 7–11 км, редкоземельных и керамических - более 11 км.

Пегматитовый тип минералообразования чрезвычайно важен в практическом отношении. С гранитными пегматитами связаны промышленные месторождения Li, Be, Nb, Ta, Sn, а также U, Th, Cs, Rb, редких земель (TR), слюд и керамического сырья. Пегматиты нефелиновых сиенитов и сиенит-пегматиты являются концентраторами Zr, Hf, U, Th, Nb, Ta, TR, Ti. Из пегматитовых занорышей добывают драгоценные камни - бериллы различной окраски, цветные (полихромные) турмалины, топазы, хризоберилл, полудрагоценные дымчатые кварцы. Пегматиты служат также источником пьезокварца, оптического флюорита и турмалина, используемого в лазерной технике.