Магматическая дифференциация

В геологии магма магматическая дифференциация или магматическая дифференциация — это общий термин для различных процессов, посредством которых подвергается массовым химическим изменениям во время процесса частичного плавления , охлаждения, внедрения или извержения . Последовательность магм (обычно все более кислых), образующихся в результате магматической дифференциации, известна как серия магм .

Определения

Первичные плавки

Когда горная порода плавится с образованием жидкости, жидкость называется первичным расплавом . Первичные расплавы не подверглись никакой дифференциации и представляют собой исходный состав магмы. В природе первичные расплавы встречаются редко. Некоторые лейкосомы мигматитов являются примерами первичных расплавов. Особое значение имеют первичные расплавы, происходящие из мантии и известные как примитивные расплавы или примитивные магмы . Найдя примитивный состав магмы серии магм, можно смоделировать состав породы, из которой образовался расплав, что важно, поскольку у нас мало прямых свидетельств существования мантии Земли.

Родительская тает

Там, где невозможно определить примитивный или первичный состав магмы, часто полезно попытаться идентифицировать родительский расплав. Исходный расплав представляет собой состав магмы, из которого наблюдаемый диапазон химического состава магмы образовался в результате процессов магматической дифференциации. Это не обязательно должно быть примитивное плавление.

Например, предполагается, что серия потоков базальтовой лавы связана друг с другом. Состав, из которого они могут быть получены путем фракционной кристаллизации, называется исходным расплавом . Чтобы доказать это, будут созданы модели фракционной кристаллизации для проверки гипотезы о том, что они имеют общий исходный расплав.

Накопленные камни

Основная статья: Кумуляция камней

Фракционная кристаллизация и накопление кристаллов, образовавшихся в процессе дифференциации магматического события, известны как кумулятивные породы , и те части, которые первыми кристаллизуются из магмы. Определение того, является ли порода кумулятом или нет, имеет решающее значение для понимания того, можно ли ее смоделировать обратно в первичный расплав или примитивный расплав, а определение того, выпала ли магма кумулятивных минералов, одинаково важно даже для пород, которые не содержат вкрапленников .

Основные причины дифференциации

Основной причиной изменения состава магмы является охлаждение , которое является неизбежным следствием формирования магмы и ее миграции из места частичного плавления в область меньшего напряжения — как правило, в более холодный объем земной коры.

Охлаждение приводит к тому, что магма начинает кристаллизовать минералы из расплава или жидкой части магмы. Большинство магм представляют собой смесь жидкой породы (расплава) и кристаллических минералов (вкрапленников).

Загрязнение является еще одной причиной дифференциации магмы. Загрязнение может быть вызвано ассимиляцией вмещающих пород, смешением двух или более магм или даже пополнением магматического очага свежей горячей магмой.

Весь спектр механизмов дифференциации получил название процесса FARM, который означает фракционную кристаллизацию, ассимиляцию, пополнение и перемешивание магмы.

Фракционная кристаллизация магматических пород.

Фракционная кристаллизация — это удаление и выделение из расплава минеральных осадков, что приводит к изменению состава расплава. Это один из важнейших геохимических и физических процессов, происходящих в земной коре и мантии .

Фракционная кристаллизация в силикатных расплавах (магмах) — очень сложный процесс по сравнению с химическими системами в лаборатории, поскольку на него влияют самые разнообразные явления. Главными среди них являются состав, температура и давление магмы во время ее охлаждения.

Состав магмы является основным фактором, определяющим кристаллизацию минерала по мере того, как расплав остывает после ликвидуса . Например, в основных и ультраосновных расплавах содержание MgO и SiO ₂ определяет, выпадает ли форстеритовый оливин или энстатитовый пироксен .

Две магмы одинакового состава и температуры при разном давлении могут кристаллизовать разные минералы. Примером может служить фракционная кристаллизация гранитов при высоком давлении и высокой температуре с получением однополевошпатового гранита , а также при низком давлении и низкой температуре, в результате которой образуются двухполевошпатовые граниты.

Парциальное давление летучих фаз в силикатных расплавах также имеет первостепенное значение, особенно при околосолидусной кристаллизации гранитов.

Ассимиляция

Ассимиляцию можно в широком смысле определить как процесс, при котором масса магмы полностью или частично гомогенизируется с материалами, полученными из вмещающих пород магматического тела. Ассимиляция - популярный механизм, частично объясняющий фельсификацию ультраосновных и основных магм по мере их подъема через земную кору: горячий примитивный расплав, проникающий в более холодную кислую кору, расплавляет кору и смешивается с образовавшимся расплавом. Это затем меняет состав примитивной магмы. Кроме того, ранее существовавшие основные вмещающие породы могут быть ассимилированы очень горячими примитивными магмами.

Эффекты ассимиляции на химию и эволюцию магматических тел вполне ожидаемы, и они были четко доказаны во многих местах. В начале 20 века шла оживленная дискуссия об относительной важности этого процесса в магматической дифференциации. Однако более поздние исследования показали, что ассимиляция играет фундаментальную роль в изменении микроэлементов и изотопного состава магмы. в образовании некоторых экономически важных рудных месторождений, и в возникновении извержений вулканов.

Пополнение

При охлаждении расплава по линии спуска жидкости результаты ограничиваются образованием однородного твердого тела интрузивной породы с однородным минералогическим составом или частично дифференцированной кумулятивной массы со слоями, зонами состава и т.п. Такое поведение достаточно предсказуемо и его достаточно легко доказать геохимическими исследованиями. В таких случаях магматическая камера будет образовывать близкую аппроксимацию идеальной серии реакций Боуэна . Однако большинство магматических систем представляют собой полифазные явления с несколькими импульсами магматизма. В таком случае линия спуска жидкости прерывается инъекцией свежей порции горячей недифференцированной магмы. Это может вызвать чрезмерную фракционную кристаллизацию из-за трех основных эффектов:

• Дополнительное тепло обеспечивает дополнительную энергию, обеспечивающую более активную конвекцию, позволяет резорбировать существующие минеральные фазы обратно в расплав и может вызвать начало осаждения более высокотемпературной формы минерала или других минералов с более высокой температурой.
• Свежая магма изменяет состав расплава, изменяя химический состав выделяющихся фаз. Например, плагиоклаз соответствует жидкой линии спуска, образуя исходный анортит , который, если его удалить, меняет равновесный минеральный состав на олигоклаз или альбит . Пополнение магмы может привести к изменению этой тенденции, так что больше анортита осаждается поверх кумулятивных слоев альбита.
• Свежая магма дестабилизирует минералы, осаждающиеся в виде серии твердых растворов или на эвтектике ; изменение состава и температуры может вызвать чрезвычайно быструю кристаллизацию некоторых минеральных фаз, находящихся в фазе эвтектической кристаллизации.

Смешение магмы

Смешение магмы — это процесс, при котором две магмы встречаются, соединяются и образуют магму по составу где-то между двумя магмами конечных членов.

Смешение магмы - обычный процесс в вулканических магматических камерах, которые представляют собой камеры открытой системы, куда магма попадает в камеру. подвергаются той или иной форме ассимиляции, фракционной кристаллизации и частичной экстракции расплава (путем извержения лавы) и пополняются.

Смешение магмы также имеет тенденцию происходить на более глубоких уровнях земной коры и считается одним из основных механизмов формирования промежуточных пород, таких как монцонит и андезит . Здесь из-за теплопередачи и увеличения потока летучих веществ в результате субдукции кислая кора плавится, образуя кислую магму (по существу гранитного состава). Эти гранитные расплавы известны как нижняя плита . Базальтовые первичные расплавы, образовавшиеся в мантии под корой, поднимаются и смешиваются с магмами под плитой, в результате чего они занимают промежуточное положение между базальтом и риолитом ; буквально «промежуточная» композиция.

Другие механизмы дифференцировки

Захват интерфейса

Конвекция в большом магматическом очаге зависит от взаимодействия сил, создаваемых тепловой конвекцией, и сопротивления, оказываемого трением, вязкостью и сопротивлением магмы, оказываемым стенками магматического очага. Часто вблизи границ конвекционного магматического очага более холодные и более вязкие слои формируются концентрически снаружи внутрь, что определяется разрывами вязкости и температуры. При этом образуется ламинарный поток , который разделяет несколько областей магматического очага, которые могут начать дифференцироваться по отдельности.

Полосообразность течения является результатом процесса фракционной кристаллизации, который происходит за счет конвекции, если кристаллы, попавшие в края полосок течения, удаляются из расплава. Трение и вязкость магмы приводят к тому, что вкрапленники и ксенолиты внутри магмы или лавы замедляются вблизи границы раздела и попадают в вязкий слой. Это может изменить состав расплава в крупных интрузиях , что приведет к дифференциации.

Частичная экстракция расплава

Что касается приведенных выше определений, магматическая камера будет иметь тенденцию охлаждаться и кристаллизовать минералы в соответствии с линией спуска жидкости. Когда это происходит, особенно в сочетании с зональностью и накоплением кристаллов, и часть расплава удаляется, это может изменить состав магматического очага. По сути, это фракционная кристаллизация, за исключением того, что в этом случае мы наблюдаем магматический очаг, представляющий собой остаток, из которого был извлечен дочерний расплав.

Если такая магматическая камера продолжает охлаждаться, образуемые ею минералы и ее общий состав не будут соответствовать линии спуска жидкости образца или составу исходной магмы.

Типичное поведение магматических камер

Стоит еще раз подчеркнуть, что магматические очаги обычно не представляют собой статичные отдельные образования. Типичный магматический очаг формируется в результате серии инъекций расплава и магмы, и большинство из них также подвергаются той или иной форме частичной экстракции расплава.

Гранитные магмы обычно гораздо более вязкие, чем основные магмы, и обычно более однородны по составу. Обычно считается, что это вызвано вязкостью магмы, которая на порядки выше, чем у основной магмы. Более высокая вязкость означает, что при плавлении гранитная магма будет иметь тенденцию перемещаться в более крупную согласованную массу и внедряться как более крупная масса, поскольку она менее жидкая и способна двигаться. Вот почему граниты обычно встречаются в виде крупных плутонов , а основные породы - в виде даек и силлов .

Граниты более холодные и поэтому менее способны плавить и ассимилировать вмещающие породы. Таким образом, массовое загрязнение является незначительным и необычным, хотя известно, что смешение гранитных и базальтовых расплавов происходит в тех местах, где базальт инжектируется в гранитные магматические очаги.

Мафические магмы более склонны к течению и, следовательно, с большей вероятностью подвергаются периодическому пополнению магматического очага. Поскольку они более жидкие, осаждение кристаллов происходит гораздо быстрее, что приводит к большим изменениям в результате фракционной кристаллизации. Более высокие температуры также позволяют основной магме легче ассимилировать вмещающие породы, и, следовательно, загрязнение более распространено и лучше развито.

Растворенные газы

Все изверженные магмы содержат растворенные газы ( воду , углекислоту , сероводород , хлор, фтор, борную кислоту и др.). Из них вода является основной, и раньше считалось, что она просачивалась вниз от поверхности Земли к нагретым скалам внизу, но теперь общепризнано, что она является неотъемлемой частью магмы. Многие особенности строения глубинных пород по сравнению с лавами вполне можно объяснить действием этих газов, которые не смогли выйти наружу по мере медленного остывания глубинных масс и быстро отдавались поверхностными излияниями. . Кислые плутонические или интрузивные породы никогда не воспроизводились лабораторными экспериментами, и единственными успешными попытками получить их минералы искусственно были те, в которых специально предусматривалось удержание «минерализующих» газов в применяемых тиглях или герметичных трубках. Эти газы часто не входят в состав породообразующих минералов, так как большинство из них свободны от воды, угольной кислоты и т. д. Следовательно, по мере кристаллизации остаточный расплав должен содержать все большую долю летучих компонентов. Можно предположить, что на последних стадиях еще некристаллизованная часть магмы больше похожа на раствор минерального вещества в перегретом паре, чем на сухой магматический расплав. Кварц , например, является последним минералом, образующимся в граните. Он несет в себе большую часть отпечатка кварца, который, как мы знаем, отложился из водных растворов в жилах и т. д. В то же время это наиболее тугоплавкий из всех распространенных минералов горных пород. Позднее его образование показывает, что в данном случае он возник при сравнительно низких температурах, и ясно указывает на особое значение газов магмы, определяющих последовательность кристаллизации.

Когда затвердевание почти завершено, газы больше не могут удерживаться в породе и выходят через трещины на поверхность. Они являются мощными агентами воздействия на минералы горных пород, которые они пересекают, и примеры их действия обнаруживаются в каолинизации гранитов, турмалинизации и образовании грейзенов , отложении кварцевых жил и группе изменений, известных как пропилитизация. Эти «пневматолитические» процессы имеют первостепенное значение в генезисе многих рудных месторождений . Они являются реальной частью истории самой магмы и представляют собой конечные фазы вулканической последовательности.

Количественная оценка магматической дифференциации

Существует несколько методов прямого измерения и количественной оценки процессов магматической дифференциации;

• Геохимия всей породы репрезентативных образцов для отслеживания изменений и эволюции магматических систем.
  • Используя вышеизложенное, рассчитываем нормативную минералогию и исследуем тенденции.
• Геохимия микроэлементов
• Изотопная геохимия
  • Исследование загрязнения магматических систем ассимиляцией вмещающих пород с использованием радиогенных изотопов

Во всех случаях основным и наиболее ценным методом выявления процессов дифференциации магмы является картирование обнаженных пород, отслеживание минералогических изменений внутри магматических пород и описание взаимосвязей полей и текстурных свидетельств дифференциации магмы. Клинопироксеновую термобарометрию можно использовать для определения давления и температуры дифференциации магмы.

См. также

• Петрология - раздел геологии, изучающий образование, состав, распределение и строение горных пород.
• Полосчатость потока - полосы или слои, которые иногда можно увидеть в породе, образовавшейся из магмы.
• Многослойное вторжение - большое подоконное тело изверженной породы. Страницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта.
• Кумулятивная порода – магматические породы, образовавшиеся в результате скопления кристаллов магмы в результате осаждения или плавания.
• Микроструктура горной породы - размер, форма и взаимоотношения частиц горной породы. Страницы, отображающие описания из Викиданных в качестве запасного варианта.
• Нормативная минералогия - Расчет состава горной породы.
• Серия щелочной магмы - серия щелочных магм, образовавшаяся в результате магматической дифференциации.
• Серия известково-щелочной магмы - подразделение субщелочной серии магмы.
• Серия толеитовых магм - Серия субщелочных магм.

Внешние ссылки

• Пакет программного обеспечения COMAGMAT, предназначенный для облегчения термодинамического моделирования магматической дифференциации.
• Программный пакет MELTS, предназначенный для облегчения термодинамического моделирования фазовых равновесий в магматических системах.