Петрография магматических горных пород

 

 

Дальнейший ход  процесса будет протекать по линии ликвидуса В₁Е. При достижении точки Е (диопсида 57,5 %, анортита 42,5 %) анортит и диопсид будут кристаллизоваться совместно в виде самостоятельных фаз до тех пор, пока не израсходуется весь расплав. При охлаждении расплава, состав которого отвечает  точке С, будет наблюдаться сходная картина, но с первоначальным выделением чистого анортита. Если бы исходный расплав с самого начала отвечал по составу эвтектическому, весь процесс кристаллизации протекал бы при температуре 1270 °С при одновременном выделении анортита и диопсида до полного затвердения расплава.

При увеличении давления воды происходит понижение температуры кристаллизации каждого компонента и эвтектики, а также изменение эвтектических соотношений этих компонентов. Температура эвтектики при Р_Н2О = 1000 МПа упадет до 1000 °С, и сама эвтектика смещается в сторону анортита, расширяя поле кристаллизации пироксена.

Кристаллизация с образованием твердых растворов

Свойствами твердых растворов  обладают все породообразующие минералы, дающие изоморфные ряды (плагиоклазы, пироксены, оливины, амфиболы и т. д.).

Для систем, кристаллизующихся с образованием твердых растворов, характерны следующие признаки.

1. В процессе кристаллизации  происходит непрерывная реакция между выделившимися кристаллами и расплавом, вследствие чего изменяются составы расплава и кристаллов в направлении обогащения менее тугоплавким компонентом.

2. Прибавление к легкоплавкому  компоненту тугоплавкого вызывает повышение температуры начала кристаллизации расплава.

3. Температура определяет не только  количественные соотношения между твердой и жидкой фазами, но и состав их.

4. Состав кристаллов, выделившихся  в начальную и конечную стадии кристаллизации, а также температурный интервал процесса кристаллизации зависят только от состава исходного расплава.

5. Первые кристаллы, выделившиеся  из расплава, всегда богаче тугоплавкими компонентами, чем исходный расплав; последние кристаллы отвечают по составу исходному расплаву.

Рассмотрим кристаллизацию двух минералов, образующих непрерывную серию твердых растворов на примере плагиоклазов (рис. 2). Кривая солидуса показывает изменение состава твердой фазы по мере падения температуры, а соответствующие изменения состава жидкости фиксируются кривой ликвидуса. Если исходный расплав (точка а) имеет 50 % альбита (Ab)  и 50 % анортита (An), кристаллизация его начнется при температуре 1450 °С, то есть при достижении точки а на кривой ликвидуса. При этой температуре из расплава выделится небольшое количество кристаллов состава b (около 90–95 % An). Выделение этих кристаллов приведет к изменению состава расплава, который по сравнению с исходным становится богаче альбитовым компонентом. При понижении температуры этот расплав взаимодействует с выделившейся твердой фазой, постепенно изменяя ее состав по кривой солидуса, в то же время меняя и свой состав по кривой ликвидуса. При температуре 1350 °С в равновесии будут находиться кристаллы плагиоклаза № 70 (точка d) с расплавом, содержащим 30 % анортита    (точка с). При дальнейшем понижении температуры состав кристаллов и расплава будет изменяться по отрезкам солидуса df и ликвидуса се, пока весь расплав не затвердеет в точке f. В этой точке кристаллы плагиоклаза приобретут состав, соответствующий исходному (50 % An и 50 % Ab). В этот момент последние капли расплава содержат 12 % анортита (точка е на ликвидусе).

Рис. 2. Диаграмма кристаллизации плагиоклазов

(по Г. С. Йодеру, 1962).

 

В процессе медленного охлаждения расплава получаются плагиоклазы, в которых не остается следов от реакций, предшествовавших их образованию. Если охлаждение происходит быстро, полное равновесие между твердой фазой и жидкостью не наступает, образуются кристаллы плагиоклаза с зональным строением. У плагиоклазов с общим составом, отвечающим лабрадору, центральные части кристаллов могут быть представлены плагиоклазом с 80 % An, а внешние зоны – с 12 % An. Зональные плагиоклазы характерны для пород, кристаллизовавшихся в гипабиссальных или поверхностных условиях, менее благоприятных, чем глубинные. Присутствие воды в расплаве понижает температуры солидуса и ликвидуса.

Реакционный  ряд  Н. Л.  Боуэна

Существуют соединения, которые  при определенных температурах реагируют с расплавом и образуют кристаллы нового состава. Этот вид кристаллизации очень распространен в ряду фемических минералов. Таким способом появляется клиноэнстатит (Mg₂Si₂O₆) в системе форстерит (Mg₂SiO₄) – кремнезем (SiO₂). Кристаллизация расплава начинается с форстерита, который устойчив лишь до определенной температуры, а затем он реагирует с расплавом с образованием кристаллов клиноэнстатита. Кристаллизация природных расплавов происходит в присутствии летучих компонентов при более низких температурах, поэтому вместо клиноэнстатита образуется более низкотемпературный ромбический пироксен.

В магматических породах часто  встречаются реакционные каемки ромбического пироксена вокруг зерен оливина. Это свидетельствует о незавершенной реакции преобразования оливина в ромбический пироксен. Иногда наблюдаются каемки моноклинного пироксена вокруг ромбического, каймы амфибола на клинопироксене и биотита на амфиболе, то есть каждый последующий минерал может кристаллизоваться вследствие реакции расплава с ранее выделившимся минералом. Изучение реакционных структур реальных горных пород, а также данные экспериментальных исследований кристаллизации силикатных систем позволили Н. Л.  Боуэну (1928) представить последовательность выделения главных породообразующих минералов из магмы в виде двух реакционных рядов: прерывного ряда фемических минералов и непрерывного ряда салических минералов (рис. 3). В каждом из рядов вышестоящий минерал, реагируя с расплавом, дает нижестоящий минерал. Каждому члену первого ряда соответствует определенный член второго ряда.

 

                             Оливин                           ‏

                                    ↓

                             Ортопироксен           ↔          ‏ Основной плагиоклаз:

                                    ↓                                            анортит, битовнит

                             Клинопироксен         ↔                     лабрадор

                                     ↓                                                        ↓

Роговая обманка        ↔         Средний  плагиоклаз

                                     ↓                                                        ↓

Биотит                         ↔         Кислый плагиоклаз

 

Рис.  3. Схема реакционного ряда Н. Л. Боуэна.

 

Совместная  кристаллизация минералов из двух реакционных  рядов протекает с образованием эвтектики, и в этом случае последовательность выделения зависит от состава расплава. Схема Н. Л. Боуэна показывает наиболее возможные парагенезисы минералов в магматических породах (совместное нахождение оливинов, пироксенов и основных плагиоклазов; амфиболов со средними плагиоклазами; биотита с кислыми плагиоклазами, калиевым полевым шпатом и кварцем). Реакционный принцип Н. Л. Боуэна справедлив лишь для пород известково-щелочной серии с нормальной щелочностью и нормальным отношением магния и железа в фемических минералах. Д. С. Коржинский (1962) и В. С. Соболев (1961) показали, что повышение концентрации натрия в расплаве сопровождается вытеснением кальция из плагиоклазов, что приводит роговую обманку и пироксен в равновесие с кислыми плагиоклазами. Поэтому вместо нормальных биотитовых гранитов появляются роговообманковые и пироксеновые их разновидности. Увеличение содержания железа относительно магния приводит к обратной последовательности выделения ромбических и моноклинных пироксенов, поздней кристаллизации железистых оливинов (так, в трапповых интрузиях габбро-долеритов и долеритов железистые гиперстены образовались позже моноклинных пироксенов).

Последовательность кристаллизации минералов из расплава

Существует ряд  признаков, позволяющих выяснить последовательность кристаллизации минералов из расплава. Прежде всего, обращают внимание на форму минералов и степень их идиоморфизма. Ранние минералы могут быть огранены лучше, чем поздние. Степень кристаллической огранки минералов в породах различна (рис. 4). Однако надо учитывать также кристаллизационную силу (силу роста) минерала.

_______________________________

Рис. 4. Различная степень идиоморфизма

минералов: амфибол (Rgb) – идиоморфный,

плагиоклаз (Plg) – гипидиоморфный,

кварц (Q) – ксеноморфный    по

П. Ф. Емельяненко и Е. Б. Яковлевой, 1985).

 

Многие минералы, обладая высокой энергией роста, способны создавать правильные кристаллы в стесненных условиях. Как правило, это минералы, содержащие летучие компоненты, редкие и рассеянные элементы, а это в основном акцессорные минералы (апатит, сфен, циркон, рутил, монацит и др.). Следующий критерий порядка выделения минералов – включения одного минерала в другой. Более ранний минерал бывает включен в более поздний (за исключением акцессорных минералов).

Явления замещения  одного минерала другим также служат достоверным признаком для установления последовательности образования минералов. Рассмотренный выше реакционный ряд Н. Л. Боуэна наблюдается в магматических горных породах, если сохраняются ранние кристаллы (например, оливина), обрастающие каймами более поздних пироксенов и амфибола. Время зарождения отдельных включений минералов определяется тем, в какие минералы он включен, а в какие нет.

Контрольные вопросы

1. Что такое кристаллизация с эвтектикой? 2. Что такое кристаллизация с образованием твердых растворов? 3. Одинаковый ли состав имеют первые и более поздние кристаллы: а) при кристаллизации с эвтектикой; б) при кристаллизации по принципу твердых растворов? Почему? 4. Какое практическое значение в петрологии имеет выявленная Н. Л. Боуэном закономерность кристаллизации темноцветных и светлоцветных минералов в расплаве? 5. По каким признакам можно оценить последовательность кристаллизации минералов в магматических горных породах?

лекция 3

 

Текстуры и структуры  магматических горных пород. Формы  залегания и отдельности магматических пород. Структуры вулканических горных пород. Структуры плутонических горных пород.

Формы  залегания  магматических  горных  пород

Горные породы любого типа образуют в земной коре геологические тела, имеющие определенные размер, форму, взаимоотношения с другими породами, положение в тектонической структуре района и внутреннее строение. Все эти признаки объединяются общим понятием «геологические условия залегания горных пород». Наиболее разнообразны эти признаки у магматических пород, так как магма, проникая сквозь толщу земной коры, в одних случаях застывает на глубине, а в других изливается на поверхность.

Формы магматических  тел зависят от многих факторов, важнейшими из которых являются состав магмы и ее вязкость. По форме различают тела плутонических и вулканических пород, которые зависят от того, где они образовались – на глубине или на поверхности. Внутреннее строение магматических тел связано с их формой и обусловлено механизмом внедрения магмы, ее физическими свойствами, глубиной остывания расплава, соотношением с вмещающими породами и др.

В самом общем  случае плутонические (интрузивные) тела разделяются в зависимости от размеров на крупные и малые интрузии. В зависимости от глубины формирования – на глубинные (абиссальные) и интрузии малой глубины (гипабиссальные). В зависимости от характера взаимоотношений со структурой вмещающих толщ формы  магматических пород подразделяются на согласные (конкордантные)  и несогласные (дискордантные). Согласные тела внедряются между слоями вмещающих пород и форма их зависит от складчатой структуры вмещающей толщи. Несогласные тела прорывают, пересекают слоистые вмещающие породы и имеют форму, не зависящую от структуры последней.

К согласным  относятся пластообразные интрузивные залежи, силлы, лополиты, лакколиты, факолиты и мигматит-плутоны (рис. 5). Среди несогласных интрузивных тел выделяют: интрузии центрального типа, дайки, кольцевые дайки, жилы, штоки, батолиты.

 

а

   б в 

г   

       д

 

Рис. 5. Формы согласных и несогласных интрузий: а – лополит, б – лакколит, в – силл,   г – гипотетическая схема строения лополита типа Садбери: 1 – породы фундамента, 2 – метариолиты, 3 – габброиды, 4 – меланократовые породы основного и ультраосновного состава; д – диатрема и подводящий силл.

 

Все эти тела могут образовываться в процессе однократного внедрения магмы, и тогда они называются простыми (или однофазными). Если магма поступала несколько раз, тела называются сложными (или многофазными). В случае повторных внедрений состав магмы изменяется и получается, что интрузивное тело сложено серией различных пород. Встречаются и простые (однофазные) тела, сложенные серией различных пород. Это – дифференцированные тела, являющиеся продуктами эволюции (дифференциации) магмы в процессе кристаллизации единого магматического расплава.

Контакты плутонических тел  с вмещающими породами могут быть резкими (в случае внедрения горячей магмы) и неясными (в случае внедрения магмы в сильно нагретые породы). Неясные контакты характерны для взаимоотношений пород на больших глубинах (образование мигматит-плутонов) или в случаях магматического замещения окружающих пород.                                                                                                                                                               

Продукты излияния магмы на земную поверхность в виде лав поступают из недр Земли через вулканические аппараты. Последние могут быть вулканами, трещинами в земной коре или трубками взрыва. От вулканических аппаратов разливаются лавовые потоки, вокруг них разбрасываются рыхлые продукты извержений – вулканические бомбы, лапилли, вулканический пепел и песок. Все эти продукты разносятся иногда на далекие расстояния от жерла вулкана. Наиболее распространенные формы излияния лав вулканов центрального типа представлены потоками. Форма покровных излияний соответствует пластовой.