Эндогенные процессы. Магматизм

Магматизм -это явления, связанные с образованием, изменением состава и движением магмы из недр Земли к ее поверхности. Магма представляет собой природный высокотемпературный расплав, образующийся в виде отдельных очагов в литосфере и верхней мантии (главным образом, в астеносфере). Основной причиной плавления вещества и возникновения магматических очагов в литосфере является повышение температуры. Подъем магмы и прорыв ее в вышележащие горизонты происходят вследствие так называемой инверсии плотностей, при которой внутри, литосферы появляются очаги менее плотного, но мобильного расплава. Таким образом, магматизм — это глубинный процесс, обусловленный тепловым и гравитационным полями Земли.

В зависимости от характера движения магмы различают магматизминтрузивный и эффузивный. При интрузивном магматизме (плутонизме) магма не достигает земной поверхности, а активно внедряется во вмещающие вышележащие породы, частично расплавляя их, и застывает в трещинах и полостях коры. При эффузивном магматизме (вулканизме) магма через подводящий канал достигает поверхности Земли, где образует вулканы различных типов, и застывает на поверхности. В обоих случаях при застывании расплава образуются магматические горные породы. Температуры магматических расплавов, находящихся внутри земной коры, судя по экспериментальным данным и результатам изучения минерального состава магматических пород, находятся в пределах 700—1100°С. Измеренные температуры магм, излившихся на поверхность, в большинстве случаев колеблются в интервале 900—1100°С, изредка достигая 1350 °С. Более высокая температура наземных расплавов обусловлена тем, что в них протекают процессы окисления под воздействием атмосферного кислорода.

С точки зрения химического состава магма представляет сложную многокомпонентную систему, образованную в основном кремнеземом SiO2 и веществами, химически эквивалентными силикатам Al, Na, K,Ca. Преобладающим компонентом магмы является кремнезем. В природе существует несколько типов магм, различающихся по химическому составу. Состав магм зависит от состава материала, за счет плавления которого они образуются. Однако при подъеме магмы происходит частичное плавление и растворение вмещающих пород земной коры, или их ассимиляция; при этом первичный ее состав меняется. Таким образом, состав магм изменяется в процессе как внедрения их в верхние горизонты коры, так и кристаллизации. На больших глубинах в магмах в растворенном состоянии присутствуют летучие компоненты — пары воды и газов (H2S, H2, CO2, HCl, и др.) В условиях высоких давлений их содержание может достигать 12 %. Они являются химически очень активными, подвижными веществами и удерживаются в магме только благодаря высокому внешнему давлению.

В процессе подъема магмы к поверхности, по мере снижения температур и давлений происходит распад системы на две фазы — расплав и газы. Если движение магмы медленное, ее кристаллизация начинается в процессе подъема, и тогда она превращается в трехфазную систему: газы, расплав и плавающие в нем кристаллы минералов. Дальнейшее охлаждение магмы приводит к переходу всего расплава в твердую фазу и к образованию магматической породы. При этом летучие компоненты отделяются и основная их часть удаляется по трещинам, окружающим магматическую камеру, или непосредственно в атмосферу в случае излияния магмы на поверхность. В затвердевшей породе сохраняется лишь незначительная часть газовой фазы в виде мельчайших включений в минеральных зернах. Таким образом, состав исходной магмы определяет состав главных, породообразующих минералов сформировавшейся породы, но не является строго индентичным ему в отношении содержания летучих компонентов.

Процессы магматизма играют исключительно важную роль в формировании земной коры, поставляя в нее материал из мантии, наращивая кору и приводя к перераспределению материала внутри самой коры. Магматические породы составляют основную часть земной коры, занимая более 90% ее объема. Характерными их особенностями являются массивное строение и залегание в большинстве случаев в виде несогласных, резко ограниченных тел, активно контактирующих с вмещающей осадочной толщей. Наличие таких активных контактов связано с температурным воздействием магмы на окружающие породы и с деформацией пород кровли при подъеме магмы.

Типы магм

Ученые давно отказались от представления о том, что каждая магматическая порода образуется из своей особой родоначальной магмы. Существование определенных магматических ассоциаций свидетельствует о том, что разные породы, входящие в состав одной ассоциации, имеют общее происхождение и образуются из одной родоначальной, или первичной магмы.

Вопрос о числе первичных магм окончательно не решен. В настоящее время безусловно признается существование двух первичных магм — базальтовой (основной) и гранитной (кислой). Гипотеза существования двух первичных магм была выдвинута советским ученым Ф. Ю. Левинсоном-Лессингом в 20-е годы нашего века. Несколько позднее, в 30-е годы, широкое распространение получила гипотеза существования только одной первичной магмы — базальтовой, разработанная Н.Боуэном и пользовавшаяся признанием вплоть до недавнего времени.

Существование первичной базальтовой магмы подтверждается как чрезвычайно широким распространением базальтов, развитых на участках коры с совершенно различным строением и историей развития, так и повторением во всех геологических периодах излияния базальтовых магм, практически не меняющихся по составу. Отсюда следует, что базальтовая магма развита повсеместно. Она образуется в верхней мантии, главным образом в астеносфере, где соотношения между температурой и давлением таковы, что вещество в ней находится в состоянии, близком к состоянию, соответствующему точке плавления. Небольшое повышение температуры на отдельных участках в результате выделения радиогенного тепла приводит к восстановлению очагов плавления, или очагов первичной магмы. При движении этой магмы вверх ее состав постепенно изменяется в результате обогащения наиболее легкими и легкоплавкими компонентами. Таким образом, базальтовая магма представляет собой наиболее легкую выплавку, или фракцию, вещества астеносферы.

Существование первичной гранитной магмы подтверждается очень широким распространением гранитов, их самостоятельным, независимым от базальтов залеганием и, главное, невозможностью образования больших масс гранитов за счет дифференциации базальтовой магмы. Очаги гранитной магмы возникают в пределах коры на глубинах 10—30 км. По современным представлениям, гранитная магма образуется в результате переплавления осадочных и метаморфических пород.

Гранитная и базальтовая магмы различаются не только по химическому составу, но и по физическим свойствам. Кислые магмы более легкие, вязкие, насыщены газами. Основные магмы более тяжелые (по сравнению с кислыми), подвижные и содержат меньшее количество газов.

Причины многообразия магматических пород

Признание существования ограниченного числа первичных магм несколько противоречит огромному разнообразию магматических пород, встречающемуся в природе. Причина этого кажущегося противоречия кроется в тех физико-химических процессах, которые нарушают однородность первичного магматического расплава и обусловливают образование различных по составу пород. К таким процессам относятся дифференциация, ассимиляция и гибридизация.

Дифференциация магмы — это процесс разделения однородного первичного расплава на различные по химическому составу фракции, из которых образуются горные породы разного минерального состава. Дифференциация может происходить в жидкой фазе до появления первых кристаллов — ликвация, или в процессе выделения кристаллов из расплава — кристаллизационная дифференциация. В процессе ликвации магма расслаивается на две различные по плотности и несмешивающиеся жидкие фазы. Существующие к настоящему времени петрографические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что процессы ликвации не играют существенной роли в формировании основной массы магматических пород.

Главной причиной разнообразия магматических пород является кристаллизационная дифференциация. Отделение кристаллов от расплава обусловливается действием главным образом тектонических сил и силы тяжести (гравитационное фракционирование). Процесс гравитационного фракционирования является основным. Он заключается в последовательной кристаллизации силикатов, начиная от наиболее тугоплавких и тяжелых железо-магнезиальные силикаты и основные плагиоклазы) и кончая легкоплавкими и легкими (калиевые полевые шпаты и кварц). В процессе кристаллизации тяжелые минералы погружаются в нижние слои расплава, а остаточный расплав верхних частей последовательно обедняется железо-магнезиальными соединениями и обогащается кремнеземом. В результате гравитационного фракционирования в процессе кристаллизации основной магмы в нижних слоях расплава могут образовываться ультраосновные породы; при этом в верхних слоях расплав может приобрести такой состав, что из него начнут формироваться диориты, сиениты и даже граниты.

Процесс дифференциации может происходить как на больших, глубинах, в магматическом очаге так и в верхних частях земной коры, в магматической камере. В результате дифференциации в магматическом очаге в верхние горизонты коры внедряются уже готовые дифференциаты первичной магмы, при застывании которых образуются породы различного состава, залегающие в виде самостоятельных массивов. Процесс дифференциации в магматической камере приводит к формированию расслоенных массивов горных пород, основность которых уменьшается снизу вверх. При излиянии магмы на поверхность кристаллизационная дифференциация практически не имеет места, так как обычно магма, затвердевает довольно быстро, не успев раскристаллизоваться.

Ассимиляция — процесс полной переработки вмещающих пород, контактирующих с магмой или попадающих в нее в виде обломков — ксенолитов. Расплавляя и растворяя вмещающие породы, магма тем самым изменяет свой состав. Особенно резко изменяется состав первичной магмы, если она ассимилирует осадочные или метаморфические породы, существенно отличающиеся от нее по химическому составу. В таких случаях образуются новые разновидности магматических пород, мало сходные по составу с первичными магмами.

Гибридизация — процесс неполной переработки магмой вмещающих пород. В ходе этого процесса внутри магматической камеры сохраняются непереплавленные ксенолиты, а на окружающих их участках магма «загрязняется» чужеродными компонентами. При застывании таких участке образуются гибридные породы с нарушенным, нетипичным для магматических пород соотношением главных оксидов, содержащие нехарактерные для магматических пород минералы. По своему составу участки гибридных пород резко отличаются от пород главной части массива.