/ минералообразующие

6. Классификация минералообразующих процессов

Процессы минералообразования разделяют на две категории по источнику энергии, определяющему их движущую силу:

I. Эндогенные ( гипогенные ) процессы обусловлены поступлением энергии и/или вещества из глубин Земли.

II. Экзогенные ( гипергенные ) процессы протекают на поверхности или непосредственно вблизи поверхности Земли под влиянием атмосферных газов, ветра и поверхностных вод. Источником энергии для них является Солнце. Для этих процессов характерны низкие температуры и давления, а также высокий потенциал CO 2. О 2 ,

К эндогенным относятся две большие группы процессов, различающиеся по характеру преобразования вещества:

1. Магматогенные процессы связаны с кристаллизацией магм и их производных, т.е. преобразованием расплавленного вещества Земли. Для этих процессов характерны высокие температуры и широкий диапазон давлений.

2. Метаморфогенные процессы связаны с преобразованием вещества земной коры при погружении его на большие глубины или с воздействием на него внешнего источника тепла. В отличие от магматогенных процессов, метаморфогенные протекают в условиях, когда большая часть исходного вещества находится в твердом состоянии. Для метаморфогенных процессов характерны температуры от 300 ºС до температур плавления соответствующих минеральных ассоциаций и широкий диапазон давлений.

Вопросы для самостоятельной проверки

1. По какому критерию процессы разделяются на эндогенные (гипогенные) и экзогенные (гипергенные)?

2. Что такое магматогенные процессы?

3. Что такое метаморфогенные процессы?

КЛАССИФИКАЦИЯ МИНЕРАЛООБРАЗУЮЩИХ ПРОЦЕССОВ

I. ЭНДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

I.1. Магматогенные процессы

I.1.1. Магматическая кристаллизация

I.2. Вулканические эксгаляции (возгоны) I.3. Пегматитовый процесс

I.4. Процессы минералообразования с участием водных растворов I.4.1. Высокотемпературные метасоматические процессы

I.4.1.1. Образование апогранитов Альбитизация (образование апогранитов) Грейзенизация

I.4.1.2. Контактово-метасоматические процессы Фенитизация Скарнообразование

I.4.2. Собственно гидротермальные процессы I.5. Метаморфическое минералообразование

I.5.1. Региональный метаморфизм

I.5.2. Контактовый метаморфизм II. ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

II.1. Процессы выветривания и окисления

II.1.1. Образование кор выветривания

II.1.2. Оюразование зон окисления II.2. Хемогенно-осадочные процессы

II.2.1. Инфильтрационные процессы

II.2.2. Хемогенно-осадочные процессы

II.2.3.1. Коллоидно-хемогенное минералообразование II.2.3.2. Гидрохимическое минералообразование

II.3. Биогенные процессы

ЧАСТЬ 2. ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ МИНЕРАЛОВ

Р АЗДЕЛ I. Э НДОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ

I.1. Магматогенные процессы

I.1.1 Магматическая кристаллизация

Исходя из определения магмы, продуктами магматической кристаллизации являются минеральные ассоциации, возникшие при остывании магматических расплавов. В геологии эти ассоциации называются магматиче -

скими или изверженными горными породами. которые по способу и месту образования разделяют на вулканиче - ские ( эффузивные ) и плутонические ( интрузивные ) .

Эффузивные горные породы образуются из лавы – магмы, излившейся на поверхность Земли. Вследствие быстрого остывания для них характерно мелкозернистое строение или даже наличие вулканического стекла.

Интрузивные горные породы возникают на глубине в условиях медленного, постепенного остывания. По этой причине в них не содержится стекло, и они имеют более крупнозернистую структуру.

Ведущие факторы минералообразования: температура, давление и состав расплава (содержание и состав летучих компонентов).

Температуры кристаллизации определяются составом магм и давлением. Температуры образования силикатных эффузивных пород лежат в пределах 1000–1600 º С, в то время как интрузивные породы кристаллизуются при 700–1300 º С. Высокие температуры излившихся лав могут быть объяснены дополнительным их разогревом при интенсивном экзотермическом окислении расплава на земной поверхности.

Давление играет важную роль в магматических процессах, так как определяет растворимость летучих компонентов в расплавах. Чем выше давление, тем выше растворимость летучих компонентов.

Химический состав магм

Химический состав магм и образующихся из них пород принято выражать в виде окислов, а их содержание даётся в процентном соотношении масс, т.е. массовых процентах (мас. %). Химические элементы, из которых преимущественно состоят породообразующие минералы, называются петрогенными или породообразующими элементами. а их окислы, соответственно – петрогенными или породообразующими компонентами ; это SiO 2 ,

TiO 2. Al 2 O 3. Fe 2 O 3. FeO, MgO, CaO, Na 2 O и K 2 O.

Кроме петрогенных элементов в магмах присутствуют рассеянные элементы. Они, как правило, не образуют собственных, а рассеиваются в породообразующих минералах – входят в них в виде изоморфных примесей. Это Mn в оливинах и слюдах, Ba в полевых шпатах, Rb в слюдах и полевых шпатах, Ni в оливинах и др.

Существуют ещё акцессорные элементы, содержание которых в магме мало, но, тем не менее, они дают собственные минералы, которые также называются акцессорными:

Zr – циркон Zr[SiO 4 ], редкоземельные элементы (РЗЭ, REE, TR) – монацит Ce[PO 4 ]; P – апатит Ca 5 [PO 4 ] 3 (F,OH), Cr – хромит FeCr 2 O 4 .

По химическому составу магматические породы делятся на силикатные и несиликатные. К силикатным относятся те породы, в которых содержание силикатов и алюмосиликатов превышает 50 об.%.

Главным классификационным признаком силикатных магматических горных пород является содержание в них SiO 2. По этой величине выделяются четыре группы пород:

Ультраосновные породы (гипербазиты, ультрабазиты) 30–45 % Основные породы (базиты) 45–52 % Средние породы (мезиты) 52–63 % Кислые породы (ацидиты) > 63 %

Границы между выделенными группами не жесткие и в каждой группе имеются переходные, промежуточные породы.

Второй важный классификационный признак магматических горных пород – это содержание в них щелочей - К 2 О и Na 2 O. Породы с их высоким содержанием называют щелочными .

Реакционный принцип Н.Л. Боуэна

В 30-х годах прошлого века канадский петрограф Норман Леви Боуэн установил, что формирование минеральных ассоциаций, образующихся при кристаллизации силикатных расплавов, подчиняется определенной реакционной последовательности.

∙ Реакционный принцип Н. Л. Боуэна. кристаллизация силикатов из силикатного расплава ведет к изменению его состава, в результате чего ранее образовавшиеся минералы вступают в реакцию с расплавом и замещаются продуктами этой реакции.

Задавая химический состав силикатной системы, можно предсказать последовательность кристаллизации минералов из расплава. Такая последовательность, выведенная для системы K 2 O-Na 2 O-CaO-MgO-FeO-Al 2 O 3 -SiO 2 - H 2 O, получила название ряда Боуэна и является «таблицей умножения» в магматической петрологии, а значит, её необходимо хорошо знать, и, более того, понимать, чтобы разбираться в минеральных ассоциациях, образовавшихся при магматической кристаллизации.

Ряд Боуэна определяет последовательность кристаллизации минералов из силикатного расплава, нормального по содержанию щелочей, по

мере снижения температуры (рис. 2.4). В качестве исходного принимается состав ультраосновной перидотитовой магмы (в

мас. %): SiO 2 42-45; Al 2 O 3 ≈ 10; MgO ≈ 20; FeO ≈ 10; CaO ≈ 10;

Содержание окислов щелочных элементов и титана не превышает 1 мас. %.

Больше всего в силикатных расплавах содержится SiO 2. На начальных стадиях кристаллизации концентрации других компонентов уменьшаются быстрее, чем концентрация SiO 2. и образовавшийся избыток последнего определяет характер реакции расплава с ранее кристаллизовавшимся минералом.

Например: Mg 2 [SiO 4 ]+SiO 2 → Mg 2 [Si 2 O 6 ]

Преимущественная кристаллизация тугоплавких силикатов Mg на ранних стадиях приводит к накоплению в расплаве Fe, Ca и Al. В результате главными минералами дальнейшей кристаллизации расплавов, из которых уже выкристаллизовались оливин

Mg 2 [SiO 4 ] и ортопироксен Mg 2 [Si 2 O 6 ], становятся клинопироксен CaMg[Si 2 O 6 ] и основной плагиоклаз (например, анортит

Ca[Al 2 Si 2 O 8 ]). С появлением плагиоклаза начинается совместная кристаллизация силикатов Mg и Fe ( фемическая ( мафическая )

ветвь ряда 9. темноцветные минералы ) и алюмосиликатов Ca

Рисунок 2.4. Реакционный ряд Боуэна. Зеленым

минералов всё б о льшую роль начинает играть Fe; Al, по мере накопления его в расплаве, начинает входить не только в минералы салической ветви ряда, но и в состав фемических минералов. Кроме того, в расплаве накапливается вода, которая не входит в состав самых высокотемпературных минералов. В результате клинопироксен в фемической ветви становится неустойчивым, и ему на смену приходит амфибол. содержащий воду и Al – роговая обманка Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 (OH) 2. В плагиоклазах увеличивается доля Na и уменьшается доля Al. Они становятся более кислыми, т.к. место Al (амфотерный элемент) занимает Si (кислотный элемент). Такая тенденция отражает возрастание концентрации щелочей и кремнезёма в расплавах по ходу процесса кристаллизации. В рассматриваемой части ряда Боуэна соотношение Al и Si в плагиоклазе является промежуточным между основным плагиоклазом анортитом Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] и кислым альбитом Na[AlSi 3 O 8 ]. Такие плагиоклазы называются средними.

Щелочи, как и вода, не входят в состав высокотемпературных минералов и до некоторой поры накапливаются в расплаве. В конечном итоге их концентрация становится настолько высокой, что они начинают входить в состав минералов фемической ветви ряда Боуэна. Роговая обманка перестает быть устойчивой и уступает место последнему темноцветному минералу ветви – биотиту K(Mg,Fe) 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2. который уже не содержит Ca, но содержит K. Прекращение кристаллизации минералов фемической ветви означает, что Fe и Mg в расплаве израсходованы и полностью вошли в состав кристаллических фаз. Однако расплав содержит еще достаточно много SiO 2. Al 2 O 3. K 2 O и Na 2 O. Теперь из него не будут кристаллизоваться фемические минералы, но будет продолжаться кристаллизация салических – альбита ( кислого плагиоклаза Na[AlSi 3 O 8 ]), калиевого полевого шпата K[AlSi 3 O 8 ] и кварца SiO 2 .

Ряд Боуэна не является всеобъемлющей моделью всех магматических процессов. Это лишь схема, показывающая общие закономерности магматического минералообразования. Особой осторожности требует применение реакционного принципа в объяснении кристаллизации высокожелезистых и щелочных магм.

Главные закономерности минералообразования, вытекающие из ряда Боуэна.

1) Первыми кристаллизуются силикаты с катионами малого радиуса, а затем с катионами все большего радиу-

са: Fe (0,75Å) → Mg (0,86Å) → Ca (1,14Å) → Na (1,16Å) → K (1,52Å).

2) По мере кристаллизации остаточный расплав обогащается SiO 2. и из него кристаллизуются породы со всё увеличивающимся содержанием SiO 2. С увеличением количества SiO 2 возрастает степень полимеризации кремнезёма в расплаве и, соответственно, его вязкость, – магмы становятся менее подвижными.

3) С понижением температуры увеличивается степень полимеризации в структурах фемических минералов: оливин ( островной ) – пироксен ( цепочечный ) – амфибол ( ленточный ) – слюда ( слоистый ). Завершается кристаллизация магм ассоциациями, где доминирует полевой шпат ( каркасный ).

4) Равновесное сосуществование крайних минералов ряда невозможно, так как каждый последующий минерал является продуктом реакции предыдущего с расплавом. Это означает, что по мере кристаллизации магмы должна происходить смена минеральных ассоциаций, т.е. парагенезисов.

I.1.1.1. Магматические парагенезисы

9 От первых слогов латинских названий элементов Fe-Mg (фе-ма) или Mg-Fe (ма-фе)

10 От слова сиалический (первые слоги латинских названий элементов Si-Al (си-аль))

траосновным магматическим породам. Эти породы встречаются относительно редко и образуют тела трубообразной формы и дайки. Что на самом деле представляет собой кимберлитовая магма, сказать сложно, так как в кимберлитовых телах присутствуют обломки пород от верхней мантии до осадочного чехла земной коры, и кимберлит, по существу, является брекчией этих пород, сцементированной магматогенным веществом. В ассоциации кимберлитов характерны оливин. клинопироксен. ортопироксен ,

высокохромистый гранат ( пироп Mg 3 Al 2 [SiO 4 ] 3 с кноррингитовым миналом ), магнезиальная слюда – флогопит

KMg 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2. ильменит FeTiO 3. кальцит CaCO 3. галит NaCl, а в качестве акцессорного минерала встречается алмаз. Породы, в которых содержание оливина превышает 90 %, называются в соответствии с акцессорным минералом. Если помимо оливина присутствует магнетит FeFe 2 O 4. их называют оливинитами. если хромит

FeCr 2 O 4 – дунитами .

Оливин-пироксеновые породы, в которых содержание оливина менее 40 %, называют пироксенитами. По содержанию SiO 2 пироксениты относятся уже к основным породам.

2) Полевошпатовые основные породы (рис. 2.4) кристаллизуются при температурах более низких, чем ультрамафиты. Здесь образуется парагенетическая ассоциация, в которой преобладают основной плагиоклаз (An 10050 ), пироксен ( ортопироксен (Mg,Fe) 2 [Si 2 O 6 ] и клинопироксен CaMg[Si 2 O 6 ]). Кроме того, в основных породах не-

редко присутствует оливин. Типичными основными породами являются габбро ( базальт ) 12 .

3) В средних породах с нормальным содержанием щелочей преобладает парагенетическая ассоциация средне -

го плагиоклаза (An 50-30 ) и амфибола ( роговой обманки ) Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 (OH) 2 ) (рис. 2.4). К главным минералам средних пород относятся также клино- и ортопироксены. Примером средних пород, основными минералами которых являются роговая обманка и плагиоклаз, являются диориты ) ( андезиты )) .

Однако существуют минеральные парагенезисы средних магматических пород, в которых плагиоклаз не игра-

ет главной роли, его место занимает калиевый полевой шпат K[AlSi 3 O 8 ], – это сиениты ( трахиты ). главными минералами которых являются калиевый полевой шпат K[AlSi 3 O 8 ], роговая обманка

Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 (OH) 2 и биотит K(Mg,Fe) 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2. Калишпатовые средние породы не выво-

дятся непосредственно из реакционного ряда Боуэна, так как по содержанию щелочей являются переходными между нормальными и щелочными.

4) Наименьшими температурами кристаллизации характеризуются кислые породы, обладающие максималь-

ными содержаниями SiO 2. Главные минералы кислых пород – калиевый полевой шпат K[AlSi 3 O 8 ], кислый плагио -

клаз (An 30-0 ), кварц SiO 2 и биотит K(Mg,Fe) 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2 (рис. 2.4). К кислым породам относятся граниты

( риолиты ). В качестве второстепенных минералов в гранитах могут присутствовать мусковит

KAl 2 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2. амфибол ( роговая обманка ) Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 [(Si, Al) 4 O 11 ] 2 (OH) 2. в качестве акцессорных часто встречаются апатит Ca 5 [PO 4 ] 3 F. циркон Zr[SiO 4 ]. титанит CaTi[SiO 4 ]O и др.

Ряд Боуэна показывает, что парагенетические ассоциации магматических пород постепенно переходят одна в другую. По этой причине возможно существование переходных пород, таких, например, как гранодиориты и пикробазальты.

11 Плагиоклазы представляют собой твердый раствор с крайними членами (миналами) анортитом (An) Ca[Al 2 Si 2 O 8 ] и альбитом (Ab) Na[AlSi 3 O 8 ]. Состав промежуточных членов ряда принято выражать через мольную долю анортитового минала (An), которая указывается индексом при его буквенном обозначении.

12 В скобках приведены эффузивные и гипабиссальные аналоги интрузивных пород.

Не все магматические парагенезисы можно вывести, используя ряд Боуэна. В нём не находят отражения парагенетические ассоциации, возникающие при кристаллизации щелочных магм. Особенностью их парагенетической ассоциации является присутствие особых щелочных алюмосиликатов – недосыщенных кремнезёмом фель - дшпатоидов. Эти минералы являются результатом кристаллизации расплавов с высоким содержанием щелочей (Na 2 О и K 2 О) и пониженным содержанием кремнезёма SiO 2. Самым распространённым фельдшпатоидом щелочных пород является нефелин KNa 3 [AlSiO 4 ] 4. Его можно рассматривать как твердый раствор, состоящий из двух миналов – K[AlSiO 4 ] и Na[AlSiO 4 ]; поскольку натрового минала в составе реального минерала втрое больше, чем калиевого, его и называют «миналом нефелина», и именно Na[AlSiO 4 ] используется в реакциях как «представитель» минерала «нефелин». Почему этот фельдшпатоид относится к минералам, недосыщенным кремнезёмом? Главными щелочными алюмосиликатами средних и кислых пород являются полевые шпаты Na[AlSi 3 O 8 ] – альбит

и K[AlSi 3 O 8 ] – калишпат. По содержанию в них SiO 2 они называются насыщенными кремнезёмом. это означает –

и это видно из ряда Боуэна – что они могут равновесно сосуществовать с кварцем.

Нефелин KNa 3 [AlSiO 4 ] 4 и некоторые подобные ему фельдшпатоиды содержат в своём составе гораздо меньше SiO 2. чем эти полевые шпаты, и поэтому относятся к недосыщенным кремнезёмом. Они не могут сосуществовать в парагенезисе с кварцем, потому, что если в расплав, из которого образуется нефелин, добавить кремнезём SiO 2. произойдет реакция

Na[AlSiO 4 ] + 2SiO 2 → Na[AlSi 3 O 8 ]

минал нефелина альбит

и избыточного кремнезёма на образование кварца не останется, пока весь нефелин не прореагирует с образованием альбита – насыщенного кремнезёмом полевого шпата.

Щелочные породы выделяются для всех групп силикатных магматических пород. К ультраосновным щелочным относятся существенно нефелиновые породы – уртиты (нефелиниты). Среди основных пород к щелочным относятся щелочные габбро и щелочные базальты), содержащие до 30 об.% нефелина. Самыми распространёнными из средних щелочных пород как раз и являются содержащие нефелин – нефелиновые сиениты. Парагенетические ассоциации нефелиновых сиенитов определяются соотношением мольных количеств щелочей и глинозёма (Na 2 O+K 2 O)/Al 2 O 3 ). Это соотношение равно 1 в составе полевых шпатов и нефелина. Если сумма щелочей больше Al 2 O 3. то избыток щелочей будет расходоваться на образование щелочных темноцветных минералов, возникнут пироксен – э гирин NaFe[Si 2 O 6 ] и амфибол – арфведсонит NaNa 2 (Mg,Fe) 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2. Получится парагене-

тическая ассоциация нефелиновых сиенитов агпаитового ряда – калишпат KAl[Si 3 O 8 ]. нефелин KNa 3 [AlSiO 4 ] 4.

эгирин NaFe[Si 2 O 6 ], арфведсонит NaNa 2 (Mg,Fe) 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2 .

Если щелочей меньше, чем глинозёма, то они расходуются в основном на образование лейкократовых минералов – полевых шпатов (альбита Na[AlSi 3 O 8 ] и калишпата KAl[Si 3 O 8 ]) и нефелина KNa 3 [AlSiO 4 ] 4. и лишь как изоморфная примесь присутствуют в темноцветных минералах, в которых вместо щелочных металлов присут-

ствует Ca: пироксен – эгирин - авгит (Ca,Na)(Mg,Fe)[Si 2 O 6 ]; амфибол – роговая обманка

Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 (OH) 2. Возникнет парагенезис нефелиновых сиенитов миаскитового ряда: калишпат

KAl[Si 3 O 8 ], нефелин KNa 3 [AlSiO 4 ] 4. эгирин - авгит (Ca,Na)(Mg,Fe)[Si 2 O 6 ] и роговая обманка

Ca 2 (Mg,Fe,Al) 5 [(Si,Al) 4 O 11 ] 2 (OH) 2. В этих нефелиновых сиенитах в качестве одного из главных минералов может присутствовать также высокожелезистый биотит ( лепидомелан ) K(Fe,Mg) 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2. Глинозёма же может быть настолько много, что его избыток будет кристаллизоваться в виде чистой окиси алюминия – корунда Al 2 O 3. Такая ассоциация больше похожа на парагенезис сиенитов нормальной щелочности.

В щелочных гранитах (щелочных риолитах) повышненая щелочность выражается в появлении в парагенезисе щелочного пироксена

(эгирина NaFe[Si 2 O 6 ], эгирин-авгита (Ca,Na)(Mg,Fe)[Si 2 O 6 ]) и ще-

лочного амфибола (арфведсонит NaNa 2 (Mg,Fe) 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2. рибекит Na 2 (Fe, Mg) 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2 ). Нефелин в таких ассоциациях отсутствует, так как не может сосуществовать с кварцем, котрый является неотъемлимым атрибутом кислых пород.

Особый тип минеральных парагенетических ассоциаций магматических пород составляют несиликатные магматические породы –

∙ Карбонатиты – это горные породы, образовавшиеся из магм силикатно-карбонатного состава.

Если в силикатных магмах главным растворителем является расплав силикатов, то в карбонатитовой магме таковым будет расплав карбонатов. Он может существовать только при высоком давлении CO 2. Карбонатитовые магмы редки, и карбонатиты образуются обычно в ассоциации со щелочными и ультраосновными породами как продукт дифференциации единой щелочно - ультраосновной маг -

мы. насыщенной углекислотой. Дифференциация происходит на

Рисунок 2.6. Схема строения кольцевой щелоч- но-ультраосновной интрузии с карбонатитами: 1 – источник дифференцирующейся щелочноультраосновной магмы, 2 – интрузия щелочноультраосновных пород, 3 – интрузия нефелиновых сиенитов, 4 – интрузия карбонатитов

глубине, в магматическом очаге, и это приводит к последовательному внедрению по тектоническим нарушениям отдельных порций дифференциатов – сначала расплава преимущественно ультраосновного состава, затем – существенно щелочного. Так как углекислота не входит в состав породообразующих силикатов этих ранних дифференциатов магмы, она накапливается в остающемся расплаве, который, в конце концов, становится собственно карбонатным.

В результате таких последовательных внедрений, использующих обычно одну и ту же систему разломов – подводящих каналов, – формируются кольцевые щелочно-ультраосновные комплексы, внешние части которых сложены собственно щелочными ультраосновными породами, ближе к центру локализуются нефелиновые сиениты (рис. 2.6), а карбонатиты, как правило, занимают секущее положение по отношению к более ранним породам (рис. 2.6), являясь наиболее поздними дифференциатами щелочно-ультраосновной магмы.

Парагенезис карбонатитов: карбонаты ( кальцит CaCO 3. доломит CaMg(CO 3 ) 2. анкерит Ca(Mg,Fe)(CO 3 ) 2 ), пи -

роксен ( диопсид CaMg[Si 2 O 6 ] или эгирин-диопсид), оливин (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ], флогопит KMg 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2. маг -

нетит FeFe 2 O 4. Поскольку в остаточном карбонатном расплаве накапливаются и другие элементы, не вошедшие в породообразующие минералы ранних дифференциатов, в карбонатитах часто присутствуют апатит Ca 5 [PO 4 ] 3 F,

пирохлор NaCa[Nb 2 O 6 ]F и перовскит Ca[TiO 3 ] и флюорит CaF 2.

I.1.1.2. Процессы магматической кристаллизации

Особенности кристаллизации магмы на поверхности

Изливающаяся магма ( лава ) почти лишена летучих компонентов. Поэтому амфибол

(Ca,Na) 2 (Mg,Fe,Al) 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2 и биотит K(Mg,Fe) 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2 не образуются непосредственно при кри-

сталлизации лавы. Они присутствуют в лаве в виде вкрапленников, образующихся в магматических очагах. При высоких температурах альбит Na[AlSi 3 O 8 ] и калиевый полевой шпат K[AlSi 3 O 8 ] образуют твердый раствор – са - нидин (K,Na)[AlSi 3 O 8 ] или анортоклаз (Na,K)[AlSi 3 O 8 ], которые неустойчивы при более низких температурах.

Вкрапленники санидина и анортоклаза, кристаллизующиеся в глубинных очагах, из-за резкого снижения температуры при застывании лавы закаливаются в высокотемпературном состоянии. На поверхности эти полевые шпаты остаются метастабильными. Основная масса вулканических пород часто содержит микровкрапленники, имеющие дендритную или скелетную форму, свидетельствующую о высоких скоростях кристаллизации. Значительная часть излившегося магматического расплава в результате быстрого остывания не кристаллизуется, а закаливается в стекло.

При подъеме на поверхность магма захватывает обломки пород ( ксенолиты ), слагающие стенки подводящих каналов вулканического аппарата. Парагенезисы ксенолитов могут резко отличаться по условиям образования от минералов, которые кристаллизовались из поднимающейся магмы. Некоторые минералы ксенолитов быстро растворяются в магме, в то время как другие обладают настолько малыми скоростями растворения, что сохраняются вплоть до затвердевания лавы на поверхности.

Вкрапленники таких минералов называются ксенокристаллами или ксенокристами. Примерами ксенокристов являются крупные кристаллы пиропа, синего корунда (сапфира) и циркона в щелочных базальтоидах и кристаллы алмаза в кимберлитах. Таким образом, видно, что ассоциации вулканических пород часто являются неравновес -

Процессы кристаллизации в глубинных магматических камерах

В соответствии с реакционным принципом Боуэна по мере кристаллизации магматический расплав меняет свой состав и обогащается SiO 2. что должно привести к реакции ранее образованных минералов с расплавом и их замещению продуктами этой реакции. Однако наиболее ранние кристаллы магматических минералов, как правило, изолируются от расплава более поздними. В результате парагенезисы, возникшие на ранних стадиях кристаллизации магмы, не вступают с кристаллизующимся расплавом в реакцию и сохраняются в магматической камере. Из оставшегося расплава кристаллизуются другие по составу поздние парагенезисы, занимающие в этой камере обособленное от ранних положение. Процесс пространственного разделения (обособления) магматических парагенезисов называется кристаллизационной дифференциацией .

∙ Кристаллизационная дифференциация – разделение кристаллических фаз магмы в процессе её кристаллизации, обусловленное перемещением и пространственным обособлением возникающих минеральных фаз под влиянием различных факторов (например, гравитационным осаждением выделившихся из расплава кристаллов или перемещением их конвекционными токами).

Ранняя кристаллизация ультраосновного расплава приводит к образованию парагенезиса, состоящего из оли - вина Mg 2 [SiO 4 ], ортопироксена Mg 2 [Si 2 O 6 ] и клинопироксена CaMg[Si 2 O 6 ]. Если оставшийся после этого расплав закристаллизуется отдельно, то получится порода, сложенная клинопироксеном CaMg[Si 2 O 6 ], ортопироксеном Mg 2 [Si 2 O 6 ] и основным плагиоклазом (An 80-60 ), которая отвечает расплаву основного состава. Этот расплав можно удалить по системам трещин за пределы материнской камеры, и тогда он даст отдельный массив основных пород. Если кристаллизационная дифференциация происходит в пределах одной камеры, возникают расслоенные уль -

трабазит - базитовые интрузии.

Дифференциация магмы может осуществляться за счет разделения жидких и кристаллических фаз по плотности.

∙ Удаление образовавшихся кристаллов от фронта кристаллизации магматического расплава под действием сил гравитации называют гравитационной дифференциацией. Гравитационная дифференциация всегда идет на фоне кристаллизационной дифференциации.

Кристаллизующиеся первыми из ультраосновных магм хромит или магнетит имеют плотность ρ = 5,1 – 5,2 г/см 3. Расплавы ультраосновных магм имеют плотность около 3 г/см 3. При этом их вязкость весьма низка, около 1 Па·с. Для сравнения отметим, что вязкость воды при комнатной температуре составляет 10 -3 Па·с, а водного раствора глицерина с концентрацией около 60–70 мас. % – 1 Па·с. Таким образом, плотность ультраосновного расплава оказывается почти вдвое ниже плотности кристаллических фаз при вязкости, аналогичной вязкости глицерина. Это значит, что тяжелые кристаллы будут быстро оседать на дно магматической камеры, создавая мономинеральные скопления, как, например, это имеет место в массиве Бушвельд в Южной Африке. Расплав при таком разделении будет менять свой состав в соответствии с реакционным принципом, и далее из него будут кристаллизоваться минералы других магматических парагенезисов. Эффективность механизма гравитационной дифференциации определяется, прежде всего, вязкостью расплавов, которая меняется от 1 Па·с для ультраосновных магм, до

100 Па·с – для кислых. Поэтому гравитационная дифференциация более характерна для ультраосновных, основных и средних щелочных магм.

Так как гравитационной дифференциацией управляет прежде всего соотношение плотностей кристаллов и расплава, то, очевидно, возможно не только осаждение кристаллов, но и их всплывание. Например, кристаллы плагиоклаза ( ρ =2,75 г/см 3 ) могут всплывать в расплавах основного состава ( ρ

3 г/см 3 ), имеющих низкую вязкость. Также возможно всплывание кристаллов лейцита ( ρ =2,5 г/см 3 ) в расплавах щелочных фельдшпатоидных сиенитов ( ρ

2,7 г/см 3 ). В результате в верхних частях магматических очагов могут образоваться специфические почти мономинеральные горные породы – анортозиты (состоящие почти нацело из плагиоклаза) и сынныриты (состоят практически полностью из лейцита, подвергшегося впоследствии постмагматическому изменению).

Ликвацией (от лат. liqua - жидкость) называют разделение магматического расплава на несмешивающиеся жидкие фазы разного состава.

При охлаждении расплава, содержащего большое количество летучих – S, P, Cl, F и некоторых других элементов, возможно выделение из него вещества, находящегося выше температуры своего плавления. Понятно, что

в этих условиях вещество будет выделяться не в твердом, а в жидком состоянии. Явление ликвации очень широко развито в магмах самого разного состава. Примером ликвационного разделения является отделение сульфидного расплава при охлаждении силикатных магм основного состава. Так как температуры плавления сульфидов лежат

в пределах 1000 ºС и ниже, а разделение происходит при температурах 1100–1200 º С, то сульфидные жидкости обособляются в виде капель в силикатной магме.

Кристаллизация сульфидного расплава начинается обычно при температуре менее 1050 ºС с образования высокотемпературного минерала со структурой пирротина – моносульфидного твердого раствора ( MSS ) (Fe,Ni)S. После кристаллизации MSS, остаточный расплав, обогащенный Cu и несовместимыми элементами, кристаллизуется в виде богатого Cu твердого раствора, называемого промежуточным твердым раствором ( ISS ). При пони-

жении температуры ниже 600 ºС MSS распадается на пирротин Fe 1-x S и пентландит (Fe,Ni) 9 S 8. Завершается формирование сульфидного парагенезиса распадом ISS, при котором образуется халькопирит с закономерными

вростками пентландита и другого сульфида Fe и Cu – кубанита CuFe 2 S 3. В некоторых случаях на последних стадиях образуются также пирит FeS 2. при избытке S, борнит Cu 5 FeS 4. при избытке Cu и миллерит NiS, при избытке Ni, и некоторые другие минералы. Вместе с сульфидами в парагенезисах магматогенных сульфидных руд встре-

чается магнетит FeFe 2 O 4 13 и акцессорные минералы: самородная платина. изоферроплатина (Pt 3 Fe) и другие.

Сульфидные капли могут укрупняться и просачиваться по межзерновому пространству в частично закристаллизованной части магматической камеры и, вследствие большей плотности, скапливаться в ее придонных частях, образуя при последующей кристаллизации крупные рудные залежи. Такое образование сульфидных парагенезисов называют ликвационно - магматическим. Ликвация расплава на сульфидную и силикатную жидкости привела к образованию крупнейших Cu-Ni месторождений мира (Норильск (Вост. Сибирь), Мончетундра (Кольский п-ов), Садбери (Канада)), связанных с основными интрузиями.

Ассимиляция и контаминация

Оба термина описывают две стороны одного и того же процесса – изменения состава магматического расплава за счет смешения его с другими расплавами или при растворении в магме блоков вмещающих пород, резко отличных от исходной магмы по составу.

∙ Ассимиляция (assimilatio – уподобление себе = усвоение ) – процесс поглощения магмой инородного вещества любого происхождения.

∙ Контаминация (contaminatio – осквернение ) – процесс изменения состава магмы в результате ассимиляции инородного вещества.

13 Образование магнетита определяется повышенным потенциалом кислорода, который возможен в сульфидном расплаве. 32

∙ При ассимиляции и контаминации магм происходит образование минеральных парагенезисов, отражающих как состав исходной магмы, так и состав привнесенного в неё вещества. Например, при ассимиляции кислой магмой блоков высокоглинозёмистых пород (мусковитовых сланцев, бокситовых кор выветривания) в её составе значительно возрастает количество глинозёма, и в парагенезисе при кристаллизации появятся андалузит Al 2 [SiO 4 ]O или силлиманит Al[АlSiO 5 ]. Контаминация состава кислой магмы породами, близкими по составу к основным (амфиболиты и хлоритовые сланцы), приведёт к кристаллизации более основного плагиоклаза вместо кислого и роговой обманки (Ca,Na) 2 (Mg,Fe,Al) 5 [Si 4 O 11 ] 2 (OH) 2 вместо биотита K(Mg,Fe) 3 [AlSi 3 O 10 ](OH) 2 .

Процессы ассимиляции и контаминации протекают в эндоконтактовых зонах магматических очагов при растворении попавших в магму ксенолитов вмещающих пород. Эти процессы могут быть тесно связаны не только с привносом вещества, но и с выносом его из магмы при контактовых взаимодействиях с контрастными по составу вмещающими породами.

Десиликация – это уменьшение в магматическом расплаве содержания кремнезёма вследствие выноса его во вмещающие породы, не содержащие SiO 2 или крайне бедные им.

В результате десиликации в краевых частях интрузивов могут образоваться минеральные парагенезисы с меньшим содержанием SiO 2. чем в парагенезисах центральных частей. При этом переход от контактовых зон к внутренним постепенный. Так, при взаимодействии кислого пегматитового расплава с серпентинитами или мраморами могут возникнуть корунд-плагиоклазовые породы среднего состава. Вынос кремнезёма при десиликации может быть б о льшим или меньшим, поэтому десилицированными принято называть породы лишь тогда, когда уменьшение содержания кремнезёма в магматическом расплаве приводит к образованию бескварцевых парагенезисов, недосыщенных SiO 2 благодаря процессу десиликации.

Автометаморфизмом называют изменение минерального состава магматической горной породы под воздействием остаточных расплавов или растворов, отделившихся от материнской магмы при её кристаллизации.

Примером автометаморфизма является очень широко распространённая серпентинизация ультраосновных горных пород при воздействии на них постмагматических растворов, отделившихся при кристаллизации материнской ультраосновной магмы. Другим примером автометаморфизма может служить высокотемпературное замещение клинопироксена роговой обманкой в основных породах.

Вопросы для самостоятельной проверки

1. Как называются минеральные ассоциации магматического происхождения?

2. Назовите петрогенные (породообразующие) компоненты силикатных магм.

3. Что такое рассеянные и акцессорные элементы? Какие минералы в магматических парагенезисах называются акцессорными?

4. В чем заключается реакционный принцип Н.Л. Боуэна?

5. Постройте ряд Боуэна и оцените основные геохимические следствия магматической кристаллизации из формул последовательно образующихся минералов.

6. Какие минералы входят в фемическую и салическую ветви ряда Боуэна? Как их соотношение влияет на различение меланократовых, мезократовых и лейкократовых пород?

7. Какова последовательность изменения состава плагиоклазов в ряду Боуэна?

8. Назовите главные парагенезисы ультраосновных пород.

9. Каковы особенности минерального состава кимберлитов?

10. Какие минералы являются породообразующими в магматических породах основного состава?

11. Какие минералы являются породообразующими в магматических породах среднего состава?

12. Какие минералы являются породообразующими, а какие акцессорными в магматических породах кислого состава?

13. Кристаллизация каких расплавов не укладывается в закономерности ряда Боуэна?

14. Назовите важнейшие парагенетические ассоциации щелочных пород среднего состава.

15. Что такое карбонатиты, и какие минералы в них являются породообразующими?

16. Назовите основные типы магматической дифференциации.

17. Что такое ликвация?

18. Что называется ассимиляцией, а что контаминацией магм? Как эти термины связаны между собой?

19. Какой магматический процесс носит название десиликации?

20 Что такое автометаморфизм?

http://www.studfiles.ru