Условия и способы образования минералов при магматическом процессе

Лекция Условия и способы минералообразования при магматическом процессе. Ассоциации минералов в кимберлитах и ультраосновных породах.

Магма возникает в отдельных очагах земной коры в результате теплового эффекта радиоактивного распада или имеет мантийное происхождение. Магматический процесс – это процесс образования минералов путем кристаллизации непосредственно из магмы.

В результате магматического процесса образуются разнообразные изверженные горные породы, составляющие 95 % массы земной коры, и магматические месторождения алмазов, платины, хромовых, никелевых, медных, титановых, ванадиевых и др. руд, а также апатита и нефелина.

Представления о магме и магматическом процессе мы получаем, изучая вулканическую деятельность и моделируя природные процессы экспериментальным путем.

Разработкой теории магматического процесса занимались многие ученые как в России - В.А. Обручев, Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, А.Н. Заварицкий, А.Е. Ферсман и др., так и за рубежом - Н. Боуэн, П. Ниггли, И.Фогт, Р. Дэли и др.

Магматический процесс самый высокотемпературный из всех эндогенных процессов. Кристаллизация на глубине (интрузивный процесс) происходит при температурах 900-700^оС, при излиянии магмы на поверхность (эффузивные породы) - 1200- 1000^оС. Предполагают, что на глубине 30-100 км температура может достигать 1500^оС (экспериментальные условия для образования алмаза). Давление также должно быть высоким, его интервал 2000-5000 атм. Большую роль играет высокое внешнее давление, удерживающее летучие компоненты в магме. Резкое падение давления вызывает «вскипание» расплава и его кристаллизацию.

Главные факторы минералообразования - химический состав магмы, температура, давление, концентрация химических компонентов и состав окружающих пород.

Магма - огненножидкий силикатный расплав, состоящий в основном из: Si0₂, Al₂0₃, Fe₂0₃, FeO, CaO, MgO, MnO, Na₂0, K₂0 и прочих (вся таблица Д.И. Менделеева), насыщенный растворенными летучими газами: Н, F, Cl, B, S, P, C0₂, CO, NH₄, пары воды их в магме содержится до 10 %, а в минералах они фиксируется в меньшем количестве.

Главные элементы магмы Si + О₂ = 74,31 %, поэтому преобладают силикаты. Химический состав магмы отражается в минеральном составе. Если магма пересыщена Si0₂, то выделяется свободный кварц образуются кислые породы, если недосыщена, то выделяется оливин, если достаточно - ромбический пироксен. При недостатке Si0₂ вместо полевых шпатов образуется лейцит

К [Al Si₂ 0₆] + Si0₂= К [Al Si₃ 0₈]

лейцит кпш

Кроме Si0₂ большую роль играют содержания глинозема Al₂0₃ и щелочей. Они определяют тип магматических пород. По содержанию Si0₂ (в %) выделяются породы ультраосновные (~ 40), основные (40-52), средние (52-65), кислые (65-75); по концентрации щелочей - нормальные и щелочные; по величине отношения (1) среди щелочных пород выделяются миаскитовые (< 1) и агпаитовые породы (>1).

(1) K₂O + Na₂O / Al₂O₃

Состав вмещающих пород в результате ассимиляции приводит к изменению химического состава магмы и ее кристаллизации.

Разнообразие минеральных ассоциаций связано с развитием магмы. Магматический процесс является длительным и сложным. Начинается он с дифференциации (разделения) однородной первичной магмы на ряд различных по составу производных магм. Различают магматическую дифференциацию, которая происходит до начала кристаллизации и кристаллизационную, идущую в процессе кристаллизации.

Магматическая дифференциация протекает путем ликвации - разделения магмы на две несмешивающиеся жидкие фазы с понижением температуры: силикатную и сульфидную (богатую летучими) или щелочно-фосфатную, реже щелочно-карбонатную, что приводит к различным минеральным ассоциациям. В частности в первом случае (отделение сульфидной магмы) образуются уникальные Cu-Ni сульфидные руды Норильского комплекса.

Наиболее важна кристаллизационная дифференциация, которая возможна лишь при переохлаждении. Характер охлаждения такого расплава обусловливает степень кристалличности и зернистости породы. Число центров кристаллизации при небольшом переохлаждении всегда очень небольшое, оно возрастает с увеличением степени переохлаждения и при очень сильном переохлаждении (свыше 100^о) уменьшается до нуля. В соответствии с этим образуются агрегаты различной структуры от крупнозернистой, мелкозернистой, скрытозернистой до вулканического стекла. При неравномерном охлаждении возникают агрегаты с порфировой структурой.

На основе изучения силикатных расплавов американский петролог Н. Боуэн представил последовательность выделения минералов из магмы в виде 2-х реакционных рядов:

а) прерывно-реакционного ряда цветных (фемических) минералов: оливин, ромбический пироксен - моноклинный пироксен - амфибол - биотит;

б) непрерывно-реакционного ряда светлых (салических) минералов - основной плагиоклаз - средний плагиоклаз - кислый плагиоклаз - кпш.

Минералы этих рядов могут кристаллизоваться совместно с образованием эвтектики. При этом последовательность выделений зависит от состава расплава. Реакционные и эвтектические отношения между главными магматическими минералами изображаются Н. Боуэном в виде специальной схемы, дополненной А.Н. Заварицким (рис. 1).

Рис. 1 Реакционный ряд Боуэна

Из схемы видно, что вышестоящие более тугоплавкие минералы выделяются раньше нижерасположенных. Последние могут образоваться при взаимодействии первых с расплавом, например:

(Mg, Fe)₂ Si O₄ + SiO₂ = (Mg, Fe)₂ [Si ₂ О₆]

оливин в расплаве энстатит

Схема показывает возможные парагенетические ассоциации минералов в магматических породах. Эта схема относится к нормальным породам и щелочным миаскитовым. В агпаитовых щелочных породах наблюдается обратный (агпаитовый) порядок выделения: вначале светлые - нефелин и пш, а затем цветные акцессорные и рудные минералы.

В конкретных геологических условиях из-за ряда причин общие закономерности могут быть нарушены.

Главный способ (механизм) образования минералов при магматическом процессе - свободная кристаллизация из переохлажденного магматического расплава.

В результате магматического процесса образуются разнообразные магматические горные породы и генетически и пространственно связанные с ними магматические месторождения полезных ископаемых. Среди последних выделяют раннемагматические, позднемагматические и ликвационные.

Как известно, кристаллизация расплава может происходить лишь при его переохлаждении, когда выделяющаяся при образовании кристаллов теплота не может расплавить выпадающие кристаллические зародыши. Кристаллизационная способность вещества слагается из двух факторов: скорости образования центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Эти факторы, прежде всего, и определяют характер процесса кри­сталлизации, который может быть очень сложным даже в случае расплава, являющегося однокомпонентной системой. Характер охлаждения такого расплава обусловливает степень кристалличности и зернистости породы. Число центров кристаллизации при небольшом переохлаждении всегда очень небольшое, оно возрастает с увеличением степени переохлаждения, переходит через максимум (при 40-60°) и при очень сильном переохлаждении (свыше 100°)уменьшается до нуля. Аналогично изменяется скорость роста кристаллов, которая также небольшая вблизи точки плавления, увеличивается при удалении от нее, переходит через максимум и при большом переохлаждении уменьшается до нуля. Но максимумы этих двух кривых не совпадают, что обусловливает наличие нескольких областей переохлаждения.

Соответственно им кристаллизующееся вещество имеет разную кристаллизационную способность и образует агрегаты различной структуры. При очень медленном охлаждении расплава образуется небольшое число центров кристаллизации и он затвердевает в виде крупнозернистого агрегата. В условиях более быстрого охлаждения затвердевание расплава происходит в поле с большим числом центров кристаллизации, и при этом могут быть следующие случаи. Если скорость роста кристаллов небольшая (поле ab), образуется микролитовая структура. При максимальной скорости роста кристаллов (поле bс) образуется крупнозернистая структура, а при уменьшении скорости роста и дальнейшем переохлаждении (поле cd) - мелкозернистые структуры. При небольшой скорости роста (поле de) возникают агрегаты со сферолитовым строением и, наконец, при еще меньшей скорости (поле ef) - со скрытокристаллическим. При очень большом переохлаждении (за пределами поля ef) магматический расплав не кристаллизуется, а застывает в виде вулканического стекла. При неравномерном охлаждении формируются минеральные агрегаты с порфировой структурой, в которых крупные вкрапленники выделились при медленном охлаждении расплава, а мелкозернистая основная масса образовалась при быстрой кристаллизации. Отмеченные закономерности в кристаллизации однокомпонентного расплава могут осложняться под влиянием других факторов, в частности вязкости расплава, зависящей от содержания летучих компонентов, удерживаемых в расплаве внешним давлением. Чаще приходится иметь дело с породами, образовавшимися из двух-, трех- и многокомпонентных физико-химических систем расплавов, к тому же насыщенных летучими компонентами. Несмотря на это, можно использовать изучение физико-химических диаграмм типа «состав - состояние», в частности изобарических диаграмм «состав - температура». Они строятся на двух осях, на одной из которых (ординате) откладываются температуры, на другой (абсциссе)-составы. Плоскость диаграммы делится кривыми линиями на отдельные поля, в пределах которых устойчивы определенные фазы - физически однородные части системы. Кривая, отражающая начало кристаллизации и отвечающая составу расплава, называется ликвидусом. Кривая, обозначающая конец кристаллизации и определяющая состав кристаллов, называется солидусом. Положение любой точки отвечает составу и температуре и указывает на состояние системы, т. е. ее фазы и их относительные количества.

Предполагается, что при кристаллизации расплава могут быть два случая взаимоотношения его с выделяющимися минералами. В первом случае минералы кристаллизуются не меняя своего состава за счет взаимодействия с расплавом, что, в конечном счете, приводит к образованию эвтектики. Во втором случае выделившийся минерал реагирует с расплавом и меняет свой состав или превращается в другой минерал. В этом случае минералы кристаллизуются или с образованием твердых растворов при непрерывной реакции между ними и расплавом, или с образованием химических соединений, плавящихся без разложения или с разложением, когда реакционные отношения между минералами и расплавом происходят лишь на определенных этапах кристаллизации. При кристаллизации с эвтектикой нет постоянной последовательности выделения минералов, она зависит от состава расплава, во втором случае – минералы всегда кристаллизуются в определенной последовательности.

Генетические признаки минералов магматических образований рассматриваются на примере ряда парагенетических минеральный ассоциаций:

1. Пироп - алмазная ассоциация в кимберлитах.

2. Оливин - хромитовая ассоциация в ультраосновных породах.

3. Ильменит - титаномагнетитовая в основных породах

4. Халькопирит - пентландитовая ассоциация в основных породах

5. Нефелин - апатитовая ассоциация в щелочных породах.

Дата добавления: 2014-12-10