Родоначальные магмы

2. Родоначальные магмы

Природные ассоциации магматических пород, закономерно возникающие в подобных геологических условиях, указывают на то, что разные породы, входящие в состав одной ассоциации, имеют общее происхождение, образуются из одной родоначальной магмы. Представление о том, что каждая порода образовалась из особой первичной магмы, устарело. Установлено, что многие магмы являются производными от весьма незначительного количества родоначальных магм. Главный признак родоначальной магмы – многократное появление ее на протяжении геологической истории в больших объемах на больших участках земной коры. Кроме того, очевидно, что породы, соответствующие по составу родоначальной магме должны преобладать. Так и есть в действительности. Базальты и граниты – самые распространенные магматические породы Земли.

Существует несколько представлений о числе родоначальных магм. По мнению Н. Боуэна существует одна родоначальная магма базальтового состава, что, по его мнению, подтверждается следующим.

1. Излияние базальтовой магмы, мало изменяющейся по составу, повторялось во все геологические периоды в геосинклинальных и платформенных обстановках, а также на океаническом блоке. Следовательно, базальтовая магма имеет всеобщее развитие.

2. Базальты и пироксеновые андезиты – самые распространенные эффузивные породы, среди интрузивных пород преобладают граниты. Можно предположить, что базальты, как быстро затвердевшие эффузивные породы являются продуктом первичной недифференцированной магмы, а интрузивные граниты, кристаллизовавшиеся медленно, могли получиться в результате дифференциации базальтовой магмы.

3. Некоторые долериты и диабазы содержат кварц и калиевый полевой шпат, как последний продукт кристаллизации базальтовой магмы. А значит процесс дифференциации базальтовой магмы может привести к образованию кислого расплава, который после отделения может раскристаллизоваться в виде гранитоидов.

Ф.Ю. Левинсон-Лессинг считал, что существует базальтовая и гранитная родоначальные магмы и приводил следующие аргументы.

1. Граниты и базальты по своей распространенности на Земле намного превосходят все остальные магматические породы.

2. Наличие двух магм соответствует представлению о разделении земной коры на более легкую верхнюю оболочку, богатую кремнием, алюминием и щелочными металлами и тяжелую нижнюю оболочку, богатую магнием и железом.

3. Невозможность образования громадных масс гранитов за счет дифференциации базальтовой магмы. По мнению Ф.Ю. Левинсона-Лессинга, конечным продуктом кристаллизационной дифференциации базальтовой магмы должен быть не гранит, а сиенит, состоящий на 50% из альбита, на 26% из анортита и на 24% из диопсида. При этом количество сиенита не может превышать 10% общего объема базальтовой магмы.

4. В ходе дифференциации базальтовой магмы вместе с гранитами должны были бы образовываться ультраосновные породы, которых, как известно, значительно меньше, чем гранитоидов.

По мнению А. Холмса, существует три родоначальных магмы: базальтовая, гранитная и перидотитовая. Это представление основано на следующем.

1. В геосинклинальных зонах присутствуют протяженные пояса ультраосновных пород, развивающихся независимо от распространения интрузиивных пород основного состава.

2. В химическом составе ультраосновных пород различного происхождения имеются характерные особенности. В перидотитах, возникших из родоначальной ультраосновной магмы, отношение количества магния к железу всегда больше 6, а в перидотитах, которые являются производными базальтовой магмы это отношение составляет 3,5–7,5. Кроме того, перидотиты первого типа содержат примесь меди, не содержат титан, имеют незначительную примесь алюминия и очень малое количество щелочных металлов, особенно калия.

3. Существование таких эффузивных ультраосновных пород как коматиты, меймечиты и кимберлиты подтверждает наличие застывшей магмы ультраосновного состава.

Кроме того, существует тенденция приписывать первичное происхождение некоторым другим магмам (например, анортозитовой). Это связано с тем, что трудно объяснить происхождение соответствующих пород в результате эволюции базальтовой, гранитной и перидотитовой магм.

2.1 Природа и происхождение ультраосновной магмы

При анализе минерального состава и выше описанных полевых данных могут возникнуть некоторые сомнения по следующим вопросам, связанным с генезисом перидотитов и серпентинитов альпийского типа.

1. За исключением «холодных интрузий» серпентинитов, формирование ультрамафических тел сопровождалось внедрением высокомагнезиальной ультраосновной магмы вдоль стратиграфически или структурно ослабленных поверхностей во вмещающих породах.

2. Конечным продуктом отвердевания внедрившейся магмы в ряде случаев (в том числе и в случае некоторых наиболее крупных из известных ультрамафических тел) являлись дуниты или дунит-гарцбкргиты. Весьма вероятно, что все серпентинитовые тела альпийской ассоциации на соответствующей стадии своего развития состояли главным образом из кристаллического оливина и пироксена (особенно энстатита) в качестве второй, но нередко подчиненной по количеству составной части.

3. Температура на контакте даже для крупных тел, слабо затронутых серпентинизацией, соответствуют нижним ступеням метаморфизма и были, видимо, не выше, а ниже 500ºС.

Этот вывод, основанный на данных, полученных при изучении метаморфизма вмещающих пород, вероятно, противоречит любой гипотезе, предполагающей внедрение нацело или частично жидкой магмы. В лабораторных условиях магнезиальный оливин такого типа, который встречается в дунитах, начинает плавиться при температуре около 1600ºС и полностью расплавляется только при 1800ºС. Даже допуская возможное понижение температуры на несколько сотен градусов в присутствии воды и избыточной кремнекислоты. Мы вынуждены прийти к заключению, что перидотитовый расплав может существовать только при очень высоких температурах. Однако породы, вмещающие альпийские перидотитовые интрузии, даже при тщательном их изучении не обнаруживают каких-либо признаков, указывающих на существование хотя бы близких температур. На этом основании классическая гипотеза Фогта, согласно которой перидотитовые расплавы развиваются в результате переплавления оливиновых кристаллов, накапливающихся под воздействием силы тяжести на ранних стадиях кристаллизации базальтовой магмы, отбрасывается. Дополнительным фактом, подтверждающим предположение, согласно которому перидотитовый расплав никогда не возникает во внешней (наружной) оболочке земной коры, является почти полное отсутствие лав соответствующего состава.

Несмотря на веские доказательства, указывающие на невозможность существования перидотитового расплава, некоторые соотношения, наблюдаемые в поле, на первый взгляд трудно совместить с этой гипотезой. В частности, Хесс указывал, что иногда встречаются породы, которые могут быть интерпретированы как тонкозернистые закаленные краевые фации дунитовых интрузий. Кроме того, он отмечал существование узких разветвляющихся даек перидотитов, сложенных свежими недеформированными сросшимися кристаллами оливина.

Другие авторы упоминают об узких трубках дунитов, пересекающих, и, по-видимому, внедренных в пироксениты, тогда как многочисленные отмеченные примеры энстатитовых пироксенитов, секущих перидотиты, наводят на мысль о возможности существования чистых энстатитовых магм в виде подвижных расплавов. Хесс для объяснения возникающих затруднений высказал предположение, что первичная магма перидотитов и серпентинитов представляла собой насыщенный водой ультрамафический расплав, приближающийся по составу к серпентинитам. Он предположил также, что эта магма образуется при дифференциальном плавлении перидотитового субстрата под действием локального давления очень большого утолщающегося участка перекрывающей гранитной коры в тех местах, где она была смята в складки под действием орогенических сил. Эта гипотеза должна объяснить многочисленные наблюдающиеся факты, а именно: а) отсутствие высокотемпературного метаморфизма в контактах перидотитовых; б) отсутствие перидотитовых лав (объясняется предположением, что перидотитовые магмы сохраняют высокое содержание воды только при высоких давлениях); в) связь перидотитовых поясов с зонами отрицательных аномалий силы тяжести (гранитная оболочка увеличена) в активных орогенических зонах, таких как островные дуги Индонезии и Карибского моря. Однако гипотеза основывается на предположении, что водные ультрамафические расплавы могут быть образованы и способны существовать в пределах значительного отрезка температур, слишком низких, чтобы могло произойти значительное плавление прогнувшейся книзу гранитной массы.

Под влиянием гипотезы Хесса Боуэн и Таттл провели в лабораторных условиях изучение системы MgO-SiO₂-H₂O при температурах 900ºС и давлениях, соответствующих глубине 7 км. В этих условиях и даже при 1000ºС и давлении в два раза меньшем жидкой фазы не наблюдалось. По словам Боуэна ти Таттла: «Нет никаких данных, что вообще может существовать какая-либо магма, которую можно было бы назвать серпентиновой и, конечно, ее существование невозможно ниже 1000ºС. Серпентиновая магма гипотезы Хесса должна быть отвергнута как не соответствующая экспериментальным данным».

Боуэн предложил следующий механизм образования перидотитовых интрузий, который в настоящее время считается одним из наиболее вероятных. Согласно Боуэну, перидотитовые «магмы» ко времени внедрения состояли в основном из кристаллов оливина. Гравитационное оседание оливина, отделяющегося от базальтовой магмы, – хорошо установленный механизм, посредством которого могут образовываться «магмы» подобного типа. Был ли оливин настолько подвижным, чтобы внедриться в глубинных условиях? По мнению Боуэна, необходимая степень мобильности была обусловлена эффектом смазки, вызванным небольшим количеством межгранулярного магматического расплава или даже водяного пара. Для дунитов и перидотитов, как правило, характерна структура, которая могла возникнуть в результате деформаций и течения по существу кристаллической массы: волнистое погасание оливина, а для многих пород полосчатая или даже типично милонитовая текстура. Эти особенности говорят о том, что оливин представляет собой минерал, чувствительный к пластическим деформациям под воздействием глубинных условий, и что перидотиты альпийского типа обычно подвергались пластическим деформациям после отвердевания. Лабораторные исследования в условиях температуры и давления, соответствующих глубине около 18 км, подтверждают это предположение. Если, кроме того, предположить, что медленно двигающаяся кристаллическая перидотитовая масса поглощает воду, особенно на периферии, из окружающих насыщенных водой осадочных пород и вследствие этого претерпевает частичную серпентинизацию, то, вероятно, можно говорить о том, что в результате этого процесса возрастает подвижность интрузивного тела.

Против гипотезы Боуэна может быть выдвинут следующий аргумент: если альпийские перидотиты представляют собой кристаллическую фракцию, образовавшуюся в результате дифференциации базальтовой магмы, они должны сопровождаться другими, более богатыми кремнеземом породами. Представляющими собой дополнительный жидкий дифференциат. В действительности такие сопутствующие породы, как правило, или отсутствуют, или их очень мало. Но в большинстве магматических провинций мира внедрению ультрамафических тел предшествовало излияние больших объемов основных магм (спилиты и другие основные породы). Можно предположить, что спилиты, обычно бедные оливином, представляют собой тот самый дифференциат.

Боуэн и Таттл объясняют также и происхождение энстатит-пироксенитовых жил, секущих дуниты и тонких жил в пироксенитах. Водяной пар, насыщенный SiO₂ и проникающий по трещинам в дуните при температуре выше 650ºС, может превратить породу стенок трещины в энстатитовый пироксенит. Ветвящаяся форма и небольшая мощность таких жил, а также значительные размеры энстатитовых кристаллов подтверждают подобный способ происхождения. Возможна и обратная картина, когда пироксениты под влиянием водяного пара, недосыщенного SiO₂, при таких же температурах могут быть местами превращены в дуниты.

Многие ультрамафические интрузии альпийского типа представляют собой серпентиниты. Нет сомнения в том, что серпентин образован из оливина и пироксена (энстатита), так как известны многочисленные примеры перехода от перидотитов к серпентинитам, а во многих серпентинитах имеются реликтовые зерна неизмененного оливина или пироксена или же присутствуют псевдоморфозы серпентина по одному из этих минералов. Существуют многочисленные полевые, химические и петрографические данные, которые должна объяснять теория серпентинизации. Вот некоторые из них.

1. Многие ультрамафические интрузивные породы состоят частично из перидотитов, а частично из серпентинитов. Совершенно ясно, что в подобных телах распространение серпентинита не связано с близостью к земной поверхности или уровнем грунтовых вод. Эти условия хорошо наблюдаются в некоторых крупных перидотитовых поясах на юге Новой Зеландии, где в ряде мест вдоль горных гребней на высоте от 200 до 1800 м выходят свежие дуниты, в то время как в других местах глубокие послеледниковые каньоны на глубине 1 км пересекают именно серпентиниты. Таким образом, совершенно ясно, что серпентинизация перидотитов представляет собой процесс, не связанный с выветриванием и родственными гипергенными явлениями.

2. В отношении того, как связать распространение серпентинитов с формой интрузивного тела, мнения разделяются. Одни считают, что серпентинизация в большинстве случаев либо равномерно распространена во всем ультраосновном теле, либо характеризуется случайным распределением, не связанным с границами тела. Однако в немногих случаях серпентинизация возрастает по направлению от центральной части (ядра) ультраосновного тела. По мнению других исследователей, периферическая серпентинизация перидотитов представляет собой более важное явление. В общем, пространственная связь серпентинитов с перидотитами может быть, по-видимому, в равной степени объяснена двумя различными способами серпентинизации, предусматривающими соответственно воздействие внутренних (то есть магматических) или внешних вод.

Серпентинизация оливина, во всяком случае, в начальной стадии, очень часто проявляется во многих вулканогенных и плутонических породах, включая базальты, пикриты и перидотиты стратифицированных лополитов. В этих случаях процесс, по-видимому, совершается в основном под действием позднемагматических водных растворов, действующих на все еще нагретую породу. Конечно, серпентинизация магнезиальных оливинов метаморфических пород должна происходить при температурах, не превышающих нескольких сотен градусов. Аналогично серпентинизация перидотитовых тел альпийского типа может быть обусловлена воздействием водных растворов на умеренно нагретые кристаллические перидотитовые тела во время или после внедрения.

Экспериментальные работы Боуэна и Таттла подтверждают это основное положение. Они показали, что содержащий воду магнезиальный оливиновый расплав, охлажденный до 1000ºС, будет представлять собой скопление оливиновых кристаллов, промежутки между которыми будут заполнены парами воды. Эта масса будет охлаждаться без каких-либо химических изменений до температуры около 400ºС, когда оливин начнет замещаться серпентином и бруситом, причем это замещение будет продолжаться до тех пор, пока будет существовать свободная вода. Температура, при которой может начаться серпентинизация, заметно ниже в том случае, когда оливин содержит железо, и в случае богатого железом оливина температура, возможно, настолько низка, что серпентинизация этого минерала в глубинных условиях, по-видимому, невозможна. Серпентинит может образоваться при 500ºС либо путем воздействия чистой воды на оливиново-энстатитовые смеси, либо из одного оливина, если водный раствор обогащен СО₂ и, таким образом, способен удалить оксид магния из системы. Выше температуры 500ºС оливин нельзя превратить в серпентинит. В присутствии водных растворов, способных привносить SiO₂ или выносить MgO, оливин при высоких температурах испытывает другие изменения:

1)  между 500 и 625ºС – оливин→тальк;

2)  между 625 и 800ºС – оливин→энстатит→тальк;

3)  выше 800ºС – оливин→энстатит.

Прежде чем пересмотреть различные гипотезы серпентинизации в свете этих данных, следует рассмотреть предполагаемые объемные взаимоотношения. Серпентинизация оливина при простой добавке воды, SiO₂ и CO₂ без выноса оксида магния должна вызвать значительное увеличение объема, как это иллюстрируется классическими уравнениями:

2Mg₂SiO₄ + H₂O + CO₂ → H4Mg3Si₂O₉ + MgCO₃

оливин привнос серпентин магнезит

280 г, 88 см³ 276 г, 110 см³ 84 г, 28 см³

и

3Mg₂SiO₄ + 4H₂O + SiO₂ → 2H₄Mg₃Si₂O₉

оливин привнос серпентин

420 г, 131 см³ 552 г, 220 см ³.

Однако наблюдаемые под микроскопом структуры и полевые взаимоотношения недеформированных серпентинитов ясно показывают, что серпентинизация обычно сопровождается очень небольшим увеличением объема или же увеличение объема не происходит совершенно. Поэтому вышеприведенные уравнения не могут отражать истинный ход серпентинизации дунитов. Более вероятна реакция, в которой оливин замещается таким же объемом серпентинита, а избыток MgO и SiO₂ выносится в раствор. Это приближенно может быть выражено следующим уравнением:

5Mg₂SiO₄ + 4H₂O → 2H₄Mg₃Si₂O₉ + 4MgO + SiO₂

оливин привнос серпентин выносится в растворе

700 г, 219 см³ 72 г 552 г, 220 см³