Лекция 9. Магматизм

В истории Земли, как показывают геологические исследования, большую роль играли в прошлом, а местами интенсивно проявляют свою деятельность и сейчас, расплавленные массы вещества — магма. Магма представляет собой смесь сложных химических соединений, главным образом силикатов и некоторых окислов, содержащих в растворенном состоянии различные летучие компоненты, образующаяся в глубинных зонах Земли.

Что касается магматизма, то под ним понимается совокупность эндогенных процессов, связанных с деятельностью магмы, проникающей из глубоких недр Земли в кору или на поверхность и застывающей здесь в форме самих разнообразных тел. Различают две формы магматизма: интрузивный магматизма, или плутонизм, при котором магма поднимается из глубоких очагов, расположенных под корой или в коре, внедряется в осадочную оболочку, но, не достигая дневной поверхности, застывает на различных глубинах; и эффузивный магматизм, или вулканизм, при котором магма выходит на поверхность земли и растекается в виде лавовых потоков; сюда относится весь комплекс явлений, связанных с вулканами и их деятельностью. Указанные виды магматизма — интрузивный и эффузивный — являются различными формами проявления одного и того же сложного процесса развития и движения магмы. Разнообразие условий, в которых осуществляется деятельность магмы, вызывает формирование соответствующих комплексов кристаллических (изверженных, магматических) горных пород.

Одна из форм движения магмы — вулканические извержения (эффузивный магматизм), результатом которых являются вулканические постройки — вулканы.

При вулканическом извержении на поверхность выходят расплавленная лава (с температурой порядка 900—1200°), газы, пары воды, а также пепел и другие твердые продукты. Извержения происходят либо спокойно, когда лава постепенно выливается из выводного отверстия и растекается по склонам горы, либо бурно, сопровождаясь мощными взрывами и выбросом в атмосферу большого количества газов, пара и пепла Конечно, бывают самые разнообразные извержения, в том числе и смешанного типа.

Среди вулканических аппаратов выделяются: 1) центральные вулканы (извержения происходят через центральные выводные отверстия) и 2)трещинные вулканы (лава изливается из трещин в земной коре).

Вулкан центрального типа представляет конусовидную гору более или менее правильных очертаний, со склонами крутизной до 30° и больше. Каждый вулкан обладает жерлом, т. е. каналом, проложенным в породах основания, по которому снизу поднимаются к поверхности продукты извержения. На вершине горы располагается чашеобразная впадина, называемая кратером, являющаяся верхним окончанием жерла вулкана.

У некоторых вулканов от основного жерла ответвляются побочные выводные отверстия, через которые также происходит извержение лавы, пепла, водяного пара и газов, и на месте их возникают конусы, повторяющие форму настоящих вулканических гор, но меньших размеров. Это так называемые паразитические, или побочные, вулканы, располагающиеся на склонах крупных вулканов.

Вершины конусов вулканов с течением времени могут быть уничтожены, и на их месте образуются обширные впадины круглых очертаний с крутыми внутренними стенками и плоским дном. Такие впадины называются кальдерами. Природа их различна. В некоторых случаях они образуются в результате сильных взрывов и выброса большого количества твердого материала из кратера и жерла вулкана (эксплозивные кальдеры); в других — вследствие проседания верхней части вулканической гори в полости, которые ранее были заполнены магмой (провальные кальдеры).

С современными кальдерами и вулкано-тектоническими депрессиями связаны крупные гидротермальные месторождения (Узон, Большой Семячик, Паужетка на Камчатке, Вайраней в Новой Зеландии и др.). Богатейшие месторождения меди, золота, серебра, редких металлов, урана приурочены к палеокальдерам.

Среди сохранившихся до настоящего момента вулканических аппаратов различают также действующие, затухающие и потухшие. Общее число действующих вулканов на материках и островах достигает 500. Указанное выше деление следует считать условным, так как нет уверенности в том, что, по крайней мере, некоторые из потухших вулканов не возобновят свою деятельность.

В настоящее время в пределах суши и на островах известно свыше-500 вулканов, в той или иной мере проявляющих свою деятельность. Кроме того, имеется во много раз больше потухших вулканов, сохранивших конусовидную форму и соответственное строение. Много подводных вулканов обнаружено на дне океанов. Распределение вулканов на поверхности Земли весьма неравномерно. Огромные пространства совершенно лишены каких-либо проявлений вулканической деятельности (какнапример, европейская часть России, Западная Сибирь и др.). Другие же области богаты вулканами и характеризуются исключительной их активностью. Наибольшее количество вулканов — свыше 60%—сосредоточено на побережье и на островах Тихого океана. Это так называемое Тихоокеанское кольцо вулканов. В западной части Тихого океана оно начинается на полуострове Камчатка, где сосредоточено более ста вулканов, и далее к югу протягивается через острова Курильские, Японские, Филиппинские, Новую Гвинею, Соломонова, Ново-Гебридские, Ново-Зеландские. По американскому побережью Тихого океана цепь вулканов протягивается от Огненной Земли на север через Южные, Центральные и Северные Анды, через плоскогорье между Сьеррой-Невадой и Скалистыми горами и далее вдоль Кордильер. В северной части Тихого океана известны многочисленные вулканы Алеутских островов, линия которых протягивается от Аляски к Камчатке и как бы замыкает Тихоокеанское кольцо..

Другой крупной зоной развития вулканов является область молодых гор, протягивающихся в виде широкого пояса от Альп через Апеннины на Кавкази горы Малой Азии. Это так называемое Альпийско-Кавказское, или Средиземноморское, кольцо. К нему относятся вулканы Италии — Везувий, Флегрейские поля, Этна, Липарские острова, вулканы Эгейского моря (Санторин и др.), недавно потухшие вулканы Кавказа (Эльбрус, Казбек, Арагац и др.), Турции (Арарат и др.) и Ирана (Демавенд). Далеким восточным продолжением этого почти широтного пояса являются вулканы Малайского архипелага — не менее11 действующих вулканов на Суматре, 19 — на Яве, 15 — на Малых Зондских островах и 3 — на Южно-Молуккских. Здесь азиатская линия вулканов смыкается с Тихоокеанским кольцом.

В пределах Атлантического океана известны три района современной вулканической деятельности: на крайнем севере — о. Ян-Майен, южнее — Исландия и юго-восточнее — Большие Антильские острова, на которых расположен вулкан Мон-Пеле. Наиболее интенсивная вулканическая деятельность связана с Исландией, на территории которой находится свыше 25 действующих вулканов, большое количество потухших и происходят трещинные излияния.

Продукты вулканических извержений можно разделить на три категории: 1) жидкие, 2) твердые и 3) газообразные.

Жидкие продукты. Важнейшим продуктом вулканических извержений является лава, огненно-жидкая силикатная масса. Как уже било отмечено, лава отличается от магмы главным образам меньшим содержанием в ней газов и паров, которые насыщают магму в нкедрах Земли. В остальном лава идентична по своему составу магме и в зависимости от содержания кремнезема подразделяется на кислую, среднюю и основную.

В зависимости от химического состава среди магам, наблюдаемых в областях современного магматизма, выделяют следующие главные типы: ультраосновные магмы (содержание оксида кремния меньше 44%), основные или базальтовые магмы (содержание оксида кремния 44-53%), средние магмы (содержание оксида кремния 54-63%), кислые или гранитные магмы (содержание оксида кремния более 63%).

Магмы разных типов имеют различные физические свойства.

Температура силикатных магм в момент их зарождения колеблется в пределах 500-600 1600-1800°С. Максимальные значения температуры характерны для ультраосновных расплавов, возникающих при плавлении верхней мантии или астеносферного слоя, а минимальные – для кислых магм, возникающих в земной коре и обогащенных водой или фтором, которые и снижают их температуру.

Плотность жидких магм равна 2,2-3 г/см³. Максимальная плотность характерна для глубинных мантийных магм.

Вязкость магмы определяется ее подвижностью. Наименьшей вязкостью и соответственно наибольшей текучестью обладают магмы ультраосновного и основного состава, а наибольшая вязкость характерна для кислых магм, возникающих при относительно низкой температуре.

Несмотря на разнообразие магм и магматических горных пород, образующихся при их застывании и кристаллизации, среди них обычно выделяют первичные родоначальные и вторичные частные магмы. На сегодняшний день признается существование двух основных типов родоначальных магм: гранитной и базальтовой. Базальтовые магмы возникают при плавлении вещества верхней мантии, в то время как гранитные образуются в результате плавления гранитно-метаморфического слоя земной коры, что в свою очередь является результатом движения литосферных плит. Вторичные магмы возникают в результате дифференциации разделенных магм.

Химический состав лав и содержание газовых компонентов во многом определяют их физические свойства: вязкость и подвижность, а следовательно, и характер извержений вулканов. Так, например, основные базальтовые, обладающие при выходе на поверхность температурой около 1200°, отличаются высокой подвижностью и растекаются на далекие расстояния, образуя потоки или покровы, в то время как лавы более кислые вязки и мало подвижны; при выходе из кратера они быстро затвердевают в виде относительно коротких потоков — языков на склонах вулкана.

Затвердевание лавы происходит прежде всего на поверхности потока; под образовавшейся твердой коркой долго еще может течь жидкая лава. Излившаяся лава всегда содержит то или иное количество газов, которые сохраняются и под застывшей с поверхности коркой. Скапливаясь в отдельных участках движущегося лавового потока, газы выделяются из него взрывами, взламывают твердую корку, глыбы которой нагромождаются друг на друга, и в результате образуется беспорядочная глыбовая поверхность потока. Это так называемые глыбовые лавы. В отличие от них, часто наблюдаются волнистые лавы, с гладкой волнистой поверхностью. Различается много других типов лав.

В результате застывания лавы образуются эффузивные, т. е. излившиеся, горные породы, чаще всего скрытокристаллической структуры, залегающие обычно в форме потоков, покровов и т. п. Таковы базальты, андезиты, дациты, трахиты, липариты. Для эффузивных пород характерны ярко выраженные формы отдельности — столбчатой, шаровой и т. п. (рис. 17.1/).

Твердые продукты. В период извержения под влиянием вырывающихся из жерла вулкана под огромным давлением газов и крупных взрывов из кратера выбрасывается большое количество твердых продуктов. Они состоят из обломков горных пород взорванных частей кратера и огромных масс лавы, которая выбрасывается в атмосферу, затвердевает там и выпадает на склоны вулкана как в виде мелких частиц, так и в виде крупных обломков. При достаточно большой величине они получают наименование вулканических бомб, приобретающих порой характерную веретенообразную и грушевидную форму в результате деформаций во время полета в воздухе еще не застывших масс лавы. Вулканические бомби имеют размеры от 5—10 см до нескольких метров, в отдельных случаях могут достигать 20—30 м в диаметре, и выбрасываются иногда на большие расстояния, измеряемые километрами.

Обломки меньшей величины, чем бомбы, носят название лапилли (от 1,0 до-3,0 см в поперечнике); они иногда покрывают склоны вулкана сплошным слоем большой мощности, удаляясь от кратера в общем дальше, чем бомбы.

Наконец, скопление самых мелких обломков называется вулканическим песком и пеплом, которые состоят из различных минералов: из едва оформившихся кристаллов полевого шпата, лейцита, авгита, магнетита и т. п., а чаще всего вулканического стекла. Вулканический пепел представляет собой внешне тонкую пыль серых оттенков и состоит из микроскопических кусочков вулканического стекла. Известны случай, когда пепел разносился ветрами на очень далекие расстояния. Так, слои пепла обнаружены на территории Воронежской области, куда они были занесены в результате извержений кавказских, теперь уже потухших вулканов, в частности Эльбруса. При уплотнении сравнительно крупных обломков, образуются слои агломерата (вулканической брекчии), при уплотнении масс пепла образуются слой вулканического туфа.

Газообразные продукты. Деятельность вулканов на всех ее стадиях сопровождается выделением из жерла, побочных кратеров и многочисленных трещин водяного пара и различных газов. Среди последних преобладают Н₂S, S0₂, С0₂, СО, НС1, НР, NН4С1 и др. Температура газов изменяется в значительных пределах, но обычно высокая. При температуре выше 180° газовые выделения именуются фумаролами при температуре от 180 до 100^е — сольфат а р а ми, ниже 100° — мофетами. Во всех струях преобладают пары воды, которые, судя по многочисленным анализам, составляют от 60 до 90% общего объема выделений; кроме того, в фумаролах в значительных количествах находят НС1 и другие хлористые соединения (соединения железа, натрия, калия, азота), в сольфатарах — S0₂ и Н₂S, в мофетах — С0₂.

Интрузивный магматизм. Магма, поднимаясь из глубин Земли, в большинстве случаев не достигает ее поверхности. Магма внедряетcя в земную кору, где медленно остывает и затвердевает, образуя разнообразные по форме магматические тела – интрузии, значительно осложняющие структуру коры и скрытые под покровом более или менее мощной толщи осадочных образований. Последние благодаря деятельности различных экзогенных агентов постепенно разрушаются, удаляются, и интрузивные тела оказываются обнаженными, доступными для изучения.

Следует различать несколько типов или форм интрузии в зависимости от условий их образования и соотношения с вмещающими горними породами.

Батолиты — крупные (сотни и тысячи квадратных километров) интрузивные массивы магматических горных пород неправильных очертаний, застывающие глубоко в толще земной корн. Характерными особенностями их являются: 1) секущий контакте вмещающими горными породами; 2) однородный состав; они слагаются преимущественно кислыми породами — гранитами и гранодиоритами; 3) приуроченность к складчатым зонам, особенно к их центральным частям. В районах, где батолиты благодаря процессам денудации обнажены, видны обычно только их верхние части. Примером крупного батолита может служить гранодиоритовая неоинтрузия палеогенового возраста, слагающая водораздельную часть Конгуро-Алангезского хребта в Закавказье. Батолиты формируются одновременно с процессами складкообразования (т. е. при смятии окружающих пород в складки) или в эпоху завершения складчатости. Однако вопрос об условиях формирования батолитов недостаточно ясен и до настоящего времени остается дискуссионным.

Штоки представляют собой интрузивные тела неправильной формы, более простые и меньшего размера, чем батолиты. Согласно Р. Дели, занимаемая штоками площадь выхода не превышает 100 км².

Лакколиты застывают на небольшой глубине от поверхности земли. Они обладают грибообразной или куполообразной формой. В силу давления и напора газов вязкая, малоподвижная магма приподнимает верхние слои земной коры, образуя камеру, которая заполнятся магматической массой. Вышележащие породы оказываются куполообразно изогнутыми. Чаще у лакколитов верхняя поверхность куполообразная, а нижняя – плоская. Вышележащие слои горных пород со временем могут быть разрушены и тогда поверхность лакколита оказывается обнаженной. От лакколита нередко отходят жилоподобные ответвления, пересекающие окружающие горные породи в различных направлениях и называемые апофизами. Такие ответвления свойственны также батолитам и штокам. Лакколиты встречаются в одиночку и группами. Хорошо известным примером являются лакколиты Северного Кавказа в районе Минеральных вод — горы Бештау, Лысая, Железная, Кинжал и др. Они приурочены к северному крылу антиклинория Главного Кавказского хребта.

Различают также факолиты — небольшие интрузивные тела, изогнутые в виде чечевицы и располагающиеся в сводах складок согласно с вмещающими породами; лополиты, в отличие от лакколитов имеют вогнутую чашеобразную форму, образование лополитов связано с оседанием под нагрузкой внедрившейся магмы нижележащих осадочных толщ, вмещающих магматическое тело; хонолиты, отличающиеся неправильной формой и сложными соотношениями с вмещающими породами, и другие интрузивнне тела.

Трещинные интрузии. Магма при своем движении в толще земной кори проникает во все трещины, заполняет их и образует интрузивные тела типа жил, отходящих обычно от крупных интрузивных массивов. Они слагаются различными по своему составу горными породами и приурочены главным образом к выпуклым изгибам земной коры складчатых областей. Преобладающая часть трещинных интрузии принадлежит к категории несогласных по отношению к окружающим горным породам: они пересекают слоистые толщи под тем или иным углом, и лишь в редких случаях приурочены к промежуткам между слоями. Они часто бывают ограничены с боков более или менее параллельными степками, расстояние между которыми определяет мощность жил. Мощность жил колеблется от долей метра до нескольких десятков метров, чаще всего от 1—2 до 5—6 м. Местами жили то суживаются, то расширяются, как бы пережимаются, принимая неправильную форму в соответствии с формой вмещающих трещин. В связи с тем что трещинные интрузии секут пласты горных пород, уже смятые в складки, они развиваются, очевидно, после периода складкообразования.

Процессы денудации, постоянно разрушающие поверхность Земли, обнажают трещинные интрузии, в результате чего последние нередко приобретают вид далеко протягивающейся, извилистой стены. Это сходство послужило основанием для того, чтобы называть их дайками. Если дайка состоит из породы более прочной, чем окружающие пласты, то она возвышается над ними — т. н. (положительная дайка), если же из менее прочной, то на ее месте возникает понижение в виде траншей (отрицательная дайка).

Межпластовые интрузии представляют собой плоские пластообразные тела, залегающие согласно с вмещающими породами в промежутках между слоями. Обычно они сложены основными породами. Межпластовые интрузии, как правило, занимают обширные площади (сотни и тысячи квадратных километров) и характерны более или менее выдержанной мощностью каждого интрузивного тела в отдельности. Они встречаются как среди горизонтально залегающих пород (например, траппы Сибирской платформы), так и среди пород, смятых в складки. В последнем случае интрузивные тела смяты вместе с вмещающими породами.

Главными факторами разнообразия форм интрузивных телявляется физико-химическое состояние магмы, т.е. степень ее вязкости и подвижности. Вязкость и подвижность магмы в свою очередь зависят от большего или меньшего ее перегрева, наличия летучих компонентов и от химического состава. Более вязкие магмы склонны к образованию более крутых форм интрузий, а жидкоплавкие и подвижные обнаруживают тенденцию к растеканию в горизонтальном направлении, т.е. к образованию плоских интрузий.

Другая причина – тип тектонических движений и место интрузий в тектоническом цикле.