Магматическая порода ( магматическая порода от латинского igneus «огненный»), или магматическая порода , является одним из трех основных типов горных пород , остальные — осадочные и метаморфические . Магматические породы образуются в результате охлаждения и затвердевания магмы или лавы .
Магма может образоваться в результате частичного расплавления существующих пород в мантии или коре планеты . Обычно плавление вызывается одним или несколькими из трех процессов: повышением температуры, понижением давления или изменением состава. Затвердевание в горную породу происходит либо под поверхностью в виде интрузивных пород , либо на поверхности в виде экструзионных пород. Магматические породы могут образовываться с кристаллизацией с образованием зернистых кристаллических пород или без кристаллизации с образованием природных стекол .
Магматические породы встречаются в широком диапазоне геологических условий: щитах, платформах, орогенах, бассейнах, крупных магматических провинциях, протяженной коре и океанической коре.
Магматические и метаморфические породы составляют 90–95% верхних 16 километров (9,9 миль) земной коры по объему. [1] Магматические породы составляют около 15% нынешней поверхности суши Земли. [примечание 1] Большая часть океанической коры Земли состоит из магматических пород.
Магматические породы также важны с геологической точки зрения, потому что:
Магматические породы могут быть как интрузивными ( плутонические и гипабиссальные), так и экструзивными ( вулканическими ).
Интрузивные магматические породы составляют большую часть магматических пород и образуются из магмы, которая охлаждается и затвердевает в коре планеты. Тела интрузивных пород известны как интрузии и окружены ранее существовавшими породами (так называемыми кантри-роками ). Вмещающая порода — отличный теплоизолятор , поэтому магма остывает медленно, а интрузивные породы крупнозернистые ( фанеритовые ). Минеральные зерна в таких породах обычно можно идентифицировать невооруженным глазом. Интрузии можно классифицировать по форме и размеру интрузивного тела и его отношению к напластованию вмещающих пород, в которые оно внедряется. Типичными интрузивными телами являются батолиты , штоки , лакколиты , силлы и дайки . Распространенными интрузивными породами являются гранит , габбро или диорит .
Центральные ядра крупных горных хребтов состоят из интрузивных магматических пород. Под воздействием эрозии эти ядра (называемые батолитами ) могут занимать огромные площади поверхности Земли.
Интрузивные магматические породы, образующиеся на глубине земной коры, называются плутоническими (или абиссальными ) породами и обычно являются крупнозернистыми. Интрузивные магматические породы, образующиеся у поверхности, называются субвулканическими или гипабиссальными породами, они обычно гораздо более мелкозернистые и часто напоминают вулканические породы. [8] Гипабиссальные породы встречаются реже, чем плутонические или вулканические породы, и часто образуют дайки, силлы, лакколиты, лополиты или факолиты .
Экструзивная магматическая порода, также известная как вулканическая порода, образуется в результате охлаждения расплавленной магмы на поверхности Земли. Магма, выносящаяся на поверхность через трещины или извержения вулканов , быстро затвердевает. Следовательно, такие породы мелкозернистые ( афанитовые ) или даже стекловидные. Базальт является наиболее распространенной экструзивной магматической породой [9] и образует лавовые потоки, лавовые пласты и лавовые плато. Некоторые виды базальта затвердевают, образуя длинные многоугольные колонны . Примером может служить Дорога гигантов в Антриме, Северная Ирландия .
Расплавленная порода, которая обычно содержит взвешенные кристаллы и растворенные газы, называется магмой . [10] Он поднимается, потому что он менее плотный, чем порода, из которой он был извлечен. [11] Когда магма достигает поверхности, ее называют лавой . [12] Извержения вулканов в воздух называются субаэральными , тогда как извержения вулканов, происходящие под водой, называются подводными . Черные курильщики и базальт срединно-океанических хребтов являются примерами подводной вулканической активности. [13]
Объем экструзионных пород, ежегодно извергаемых вулканами, варьируется в зависимости от тектонических условий плит. Экструзивную породу производят в следующих пропорциях: [14]
Поведение лавы зависит от ее вязкости , которая определяется температурой, составом и содержанием кристаллов. Высокотемпературная магма, большая часть которой имеет базальтовый состав, ведет себя подобно густой нефти, а по мере остывания — патоке . Длинные и тонкие базальтовые потоки с поверхностью пахоэхо являются обычным явлением. Магма промежуточного состава, такая как андезит , имеет тенденцию образовывать шлаковые конусы из смешанного пепла , туфа и лавы и при извержении может иметь вязкость, подобную густой холодной патоке или даже резине. Кельсистая магма, такая как риолит , обычно извергается при низкой температуре и до 10 000 раз более вязкая, чем базальт. Вулканы с риолитовой магмой обычно извергаются взрывным способом, а потоки риолитовой лавы обычно имеют ограниченную протяженность и имеют крутые края, поскольку магма очень вязкая. [15]
Извергающиеся кислые и промежуточные магмы часто происходят бурно, со взрывами, вызванными выбросом растворенных газов — обычно водяного пара, но также и углекислого газа . Эксплозивно изверженный пирокластический материал называется тефрой и включает туф , агломерат и игнимбрит . Мелкий вулканический пепел также извергается и образует отложения пепловых туфов, которые часто могут покрывать обширные площади. [16]
Поскольку вулканические породы в основном мелкозернистые или стекловидные, различать разные типы экструзивных магматических пород гораздо труднее, чем между разными типами интрузивных магматических пород. Как правило, минеральные составляющие мелкозернистых экструзивных магматических пород можно определить только путем изучения тонких срезов породы под микроскопом , поэтому в полевых условиях обычно можно провести только приблизительную классификацию . Хотя IUGS предпочитает классификацию по минеральному составу , это часто непрактично, и вместо этого используется химическая классификация с использованием классификации TAS . [17]
Магматические породы классифицируются по способу залегания, текстуре, минералогии, химическому составу и геометрии магматического тела.
Классификация многих типов магматических пород может дать важную информацию об условиях их образования. Двумя важными переменными, используемыми для классификации магматических пород, являются размер частиц, который во многом зависит от истории остывания, и минеральный состав породы. Полевые шпаты , кварц или полевые шпатоиды , оливины , пироксены , амфиболы и слюды являются важными минералами в формировании почти всех магматических пород и являются основой классификации этих пород. Все остальные минералы, присутствующие почти во всех магматических породах, считаются второстепенными и называются акцессорными . Виды магматических пород с другими эссенциальными минералами очень редки, но включают карбонатиты , содержащие эссенциальные карбонаты . [17]
В упрощенной классификации типы магматических пород разделяются на основе типа присутствующего полевого шпата, наличия или отсутствия кварца , а в породах без полевого шпата или кварца - типа присутствующих минералов железа или магния. Породы, содержащие кварц (кремнезем по составу), являются перенасыщенными кремнеземом . Породы с фельдшпатоидами являются недонасыщенными кремнеземом , поскольку фельдшпатоиды не могут сосуществовать в устойчивой ассоциации с кварцем. [ нужна цитата ]
Магматические породы, кристаллы которых достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, называются фанеритовыми ; те, у которых кристаллы слишком малы, чтобы их можно было увидеть, называются афанитными . Вообще говоря, фанерит предполагает интрузивное происхождение; афанитный экструзивный. [ нужна цитата ]
Магматическая порода с более крупными, четко различимыми кристаллами, заключенными в более мелкозернистую матрицу, называется порфиром . Порфировая текстура развивается, когда некоторые кристаллы вырастают до значительных размеров до того, как основная масса магмы кристаллизуется в виде более мелкозернистого однородного материала. [ нужна цитата ]
Магматические породы классифицируются по текстуре и составу. Текстура относится к размеру, форме и расположению минеральных зерен или кристаллов, из которых состоит порода. [ нужна цитата ]
Текстура является важным критерием для наименования вулканических пород. Текстура вулканических пород , включая размер, форму, ориентацию и распределение минеральных зерен, а также межзерновые взаимоотношения, будет определять, будет ли порода называться туфом , пирокластической лавой или простой лавой . Однако текстура является лишь второстепенной частью классификации вулканических пород, так как чаще всего необходима химическая информация, полученная из пород с чрезвычайно мелкозернистой основной массой или из аэропадных туфов, которые могут образоваться из вулканического пепла. [ нужна цитата ]
Текстурные критерии менее важны при классификации интрузивных пород, где большинство минералов можно увидеть невооруженным глазом или, по крайней мере, с помощью ручной линзы, лупы или микроскопа. Плутонические породы также имеют тенденцию быть менее разнообразными по текстуре и менее склонны проявлять отличительные структурные структуры. Текстурные термины могут использоваться для дифференциации различных интрузивных фаз крупных плутонов, например, порфировых окраин от крупных интрузивных тел, порфировых штоков и субвулканических даек . Минералогическая классификация чаще всего используется для классификации плутонических пород. Для классификации вулканических пород предпочтительны химические классификации с использованием видов вкрапленников в качестве префикса, например «оливинсодержащий пикрит» или «ортоклаз-фировый риолит». [ нужна цитата ]
IUGS рекомендует по возможности классифицировать магматические породы по минеральному составу. Это просто для крупнозернистых интрузивных магматических пород, но может потребовать изучения тонких срезов под микроскопом для мелкозернистых вулканических пород и может оказаться невозможным для стекловидных вулканических пород. Затем породу необходимо классифицировать по химическому составу. [18]
Минералогическая классификация интрузивных пород начинается с определения того, является ли порода ультраосновной, карбонатитовой или лампрофировой . Ультраосновная порода содержит более 90% богатых железом и магнием минералов, таких как роговая обманка, пироксен или оливин, и такие породы имеют свою классификационную схему. Аналогичным образом, породы, содержащие более 50% карбонатных минералов, относятся к карбонатитам, а лампрофиры - к редким ультракалиевым породам. Оба далее классифицируются на основе подробной минералогии. [19]
В подавляющем большинстве случаев порода имеет более типичный минеральный состав со значительным содержанием кварца, полевых шпатов или полевых шпатоидов. Классификация основана на процентном содержании кварца, щелочного полевого шпата, плагиоклаза и полевого шпата в общей доле породы, состоящей из этих минералов, без учета всех других присутствующих минералов. Эти проценты помещают породу в какое-то место на диаграмме QAPF , которая часто сразу определяет тип породы. В некоторых случаях, например, в месторождении диорит-габбро-анортит, для определения окончательной классификации необходимо применять дополнительные минералогические критерии. [19]
Там, где можно определить минералогию вулканической породы, ее классифицируют с использованием той же процедуры, но с использованием модифицированной диаграммы QAPF, поля которой соответствуют типам вулканических пород. [19]
Когда невозможно классифицировать вулканическую породу по минералогии, ее необходимо классифицировать по химическому составу.
Минералов, которые играют важную роль в образовании обычных магматических пород, относительно немного, поскольку магма, из которой кристаллизуются минералы, богата только определенными элементами: кремнием , кислородом , алюминием , натрием , калием , кальцием , железом и магнием . Это элементы, которые в совокупности образуют силикатные минералы , которые составляют более девяноста процентов всех магматических пород. Химия магматических пород выражена по-разному для крупных и малых элементов, а также для микроэлементов. Содержание главных и второстепенных элементов принято выражать в массовых процентах оксидов (например, 51% SiO2 и 1,50% TiO2 ) . Содержание микроэлементов обычно выражается в массовых частях на миллион (например, 420 частей на миллион Ni и 5,1 частей на миллион Sm). Термин «микроэлемент» обычно используется для элементов, присутствующих в большинстве горных пород в концентрации менее 100 частей на миллион или около того, но некоторые микроэлементы могут присутствовать в некоторых породах в количествах, превышающих 1000 частей на миллион. Разнообразие составов горных пород определяется огромной массой аналитических данных: доступ к более чем 230 000 анализам горных пород можно получить в Интернете через сайт, спонсируемый Национальным научным фондом США (см. Внешнюю ссылку на EarthChem). [ нужна цитата ]
Единственным наиболее важным компонентом является кремнезем SiO 2 , встречающийся независимо от того, встречается ли он в виде кварца или в сочетании с другими оксидами, такими как полевые шпаты или другие минералы. Как интрузивные, так и вулканические породы химически сгруппированы по общему содержанию кремнезема в широкие категории.
Эта классификация сведена в следующую таблицу:
По процентному содержанию оксидов щелочных металлов ( Na 2 O плюс K 2 O ) по значимости для химической классификации вулканических пород он уступает только кремнезему. Процентное содержание кремнезема и оксидов щелочных металлов используется для размещения вулканических пород на диаграмме TAS , что достаточно для немедленной классификации большинства вулканических пород. Породы в некоторых месторождениях, таких как поле трахиандезитов, дополнительно классифицируются по соотношению калия и натрия (так что калиевые трахиандезиты представляют собой латиты, а натриевые трахиандезиты - бенмореиты). Некоторые из наиболее основных месторождений дополнительно подразделяются или определяются нормативной минералогией , в которой идеализированный минеральный состав породы рассчитывается на основе ее химического состава. Например, базанит отличается от тефрита высоким нормативным содержанием оливина.
Другие усовершенствования базовой классификации TAS включают:
В старой терминологии перенасыщенные кремнеземом породы назывались кремнистыми или кислыми , где содержание SiO 2 превышало 66%, а термин «кварцолит» применялся к наиболее кремнистым породам. Нормативный фельдшпатоид классифицирует горную породу как недонасыщенную кремнеземом; пример – нефелинит .
Магмы далее делятся на три серии:
Щелочная серия отличается от двух других на диаграмме ТАС, поскольку в ней больше общего количества щелочных оксидов при данном содержании кремнезема, но толеитовая и известково-щелочная серии занимают примерно одну и ту же часть диаграммы ТАС. Их отличают сравнением общей щелочности с содержанием железа и магния. [22]
Эти три серии магмы встречаются в различных тектонических условиях плит. Породы толеитовой магматической серии встречаются, например, на срединно-океанических хребтах, задуговых котловинах , океанических островах, образованных горячими точками, островными дугами и континентальными крупными магматическими провинциями . [23]
Все три серии встречаются относительно близко друг к другу в зонах субдукции, где их распространение связано с глубиной и возрастом зоны субдукции. Толеитовая серия магм хорошо представлена над молодыми зонами субдукции, образованными магмой с относительно небольшой глубины. Известково-щелочная и щелочная серии наблюдаются в зрелых зонах субдукции и связаны с магмой больших глубин. Андезит и андезибазальт являются наиболее распространенными вулканическими породами островной дуги, что свидетельствует об известково-щелочной магме. Некоторые островные дуги имеют распределенные вулканические серии, как это можно видеть в японской островодужной системе, где вулканические породы меняются от толеитовых - известково-щелочных - щелочных по мере удаления от желоба. [24] [25]
Названия некоторых магматических пород датируются еще до современной эры геологии. Например, базальт как описание особого состава породы, полученной из лавы, датируется Георгием Агриколой в 1546 году в его работе De Natura Fossilium . [26] Слово «гранит» восходит, по крайней мере, к 1640-м годам и происходит либо от французского гранита , либо от итальянского гранито , что означает просто «гранулированная порода». [27] Термин риолит был введен в 1860 году немецким путешественником и геологом Фердинандом фон Рихтгофеном [28] [29] [30] Наименование новых типов горных пород ускорилось в 19 веке и достигло пика в начале 20 века. [31]
Большая часть ранней классификации магматических пород была основана на геологическом возрасте и распространении пород. Однако в 1902 году американские петрологи Чарльз Уитмен Кросс , Джозеф П. Иддингс , Луи В. Пирссон и Генри Стивенс Вашингтон предложили отказаться от всех существующих классификаций магматических пород и заменить их «количественной» классификацией, основанной на химическом анализе. Они показали, насколько расплывчатой и зачастую ненаучной была большая часть существующей терминологии, и утверждали, что, поскольку химический состав магматической породы является ее наиболее фундаментальной характеристикой, его следует поставить на первое место. [32] [33]
Геологическое залегание, строение, минералогический состав — общепринятые до сих пор критерии различения пород горных пород — отошли на второй план. Завершенный анализ горных пород сначала следует интерпретировать с точки зрения породообразующих минералов, которые, как можно ожидать, могут образоваться при кристаллизации магмы, например, кварцевые полевые шпаты, оливин , акерманнит, фельдшпатоиды , магнетит , корунд и т. д., а также Породы делятся на группы строго по относительному соотношению этих минералов друг к другу. [32] Эта новая классификационная схема произвела фурор, но подверглась критике за бесполезность в полевых исследованиях, и к 1960-м годам от схемы классификации отказались. Однако концепция нормативной минералогии сохранилась, а работа Кросса и его соавторов вдохновила на создание новых классификационных схем. [34]
Среди них была классификационная схема М. А. Пикока, разделившая магматические породы на четыре серии: щелочную, щелочно-кальциевую, известково-щелочную и известковую. [35] Его определение щелочной серии и термин «известково-щелочной» продолжают использоваться как часть широко используемой [36] классификации Ирвина-Барагера, [37] наряду с толеитовой серией У.К. Кеннеди. [38]
К 1958 году существовало около 12 отдельных классификационных схем и по меньшей мере 1637 названий типов горных пород. В том же году Альберт Стрекайзен написал обзорную статью по классификации магматических пород, которая в конечном итоге привела к созданию Подкомиссии IUGG по систематике магматических пород. К 1989 году была согласована единая система классификации, которая была дополнительно пересмотрена в 2005 году. Число рекомендуемых названий горных пород было сокращено до 316. В их число входил ряд новых названий, обнародованных Подкомиссией. [31]
Толщина земной коры в среднем составляет около 35 километров (22 мили) под континентами , но в среднем всего лишь на 7–10 километров (4,3–6,2 мили) под океанами . Континентальная кора состоит в основном из осадочных пород, покоящихся на кристаллическом фундаменте , сложенном множеством метаморфических и магматических пород, включая гранулиты и граниты. Океаническая кора состоит преимущественно из базальта и габбро . Как континентальная, так и океаническая кора покоится на перидотите мантии. [ нужна цитата ]
Породы могут плавиться в ответ на снижение давления, изменение состава (например, добавление воды), повышение температуры или сочетание этих процессов. [ нужна цитата ]
Другие механизмы, такие как плавление от удара метеорита , сегодня менее важны, но удары во время аккреции Земли привели к обширному таянию, и внешние несколько сотен километров нашей ранней Земли, вероятно, были океаном магмы. Удары крупных метеоритов за последние несколько сотен миллионов лет были предложены как один из механизмов, ответственных за обширный базальтовый магматизм в нескольких крупных магматических провинциях. [ нужна цитата ]
Декомпрессионное плавление происходит из-за снижения давления. [39]
Температуры солидуса большинства горных пород (температуры, ниже которых они полностью твердые) увеличиваются с увеличением давления в отсутствие воды. Перидотит на глубине мантии Земли может быть более горячим, чем температура его солидуса на каком-то более мелком уровне. Если такая порода поднимется во время конвекции твердой мантии, она немного охладится по мере адиабатического расширения , но охлаждение составит всего около 0,3 °C на километр. Экспериментальные исследования соответствующих образцов перидотита показывают, что температура солидуса увеличивается на 3–4 °C на километр. Если камень поднимется достаточно высоко, он начнет таять. Капли расплава могут сливаться в большие объемы и проникать вверх. Этот процесс плавления в результате движения твердой мантии вверх имеет решающее значение в эволюции Земли. [ нужна цитата ]
Декомпрессионное таяние создает океаническую кору на срединно-океанических хребтах . Это также вызывает вулканизм во внутриплитных регионах, таких как Европа, Африка и дно Тихого океана. Там это по-разному связывают либо с подъемом мантийных плюмов («гипотеза плюма»), либо с внутриплитным растяжением («гипотеза плит»). [40]
Изменение состава породы, наиболее ответственное за образование магмы, связано с добавлением воды. Вода понижает температуру солидуса горных пород при данном давлении. Например, на глубине около 100 километров перидотит начинает плавиться при температуре около 800°С в присутствии избытка воды, но около или выше примерно 1500°С в отсутствие воды. [41] Вода вытесняется из океанической литосферы в зонах субдукции и вызывает таяние вышележащей мантии. Водная магма, состоящая из базальта и андезита, образуется прямо или косвенно в результате обезвоживания в процессе субдукции. Такая магма и производные от нее образуют островные дуги , подобные тем, что находятся в Тихоокеанском огненном кольце . Эти магмы образуют породы известково-щелочного ряда, важную часть континентальной коры . [ нужна цитата ]
Добавление углекислого газа является относительно гораздо менее важной причиной образования магмы, чем добавление воды, но генезис некоторых магм , недонасыщенных кремнеземом , объясняется доминированием углекислого газа над водой в их мантийных источниках. Эксперименты показывают, что в присутствии углекислого газа температура солидуса перидотита снижается примерно на 200 ° C в узком интервале давлений при давлениях, соответствующих глубине около 70 км. На больших глубинах углекислый газ может оказывать больший эффект: на глубинах примерно до 200 км температуры начального плавления состава карбонатированного перидотита оказались на 450–600 °C ниже, чем для того же состава без углекислого газа. [42] Магмы таких типов пород, как нефелинит , карбонатит и кимберлит , относятся к числу тех, которые могут образовываться после притока углекислого газа в мантию на глубинах более 70 км. [ нужна цитата ]
Повышение температуры является наиболее типичным механизмом образования магмы в континентальной коре. Такое повышение температуры может произойти из-за проникновения магмы вверх из мантии. Температуры также могут превышать солидус породы в континентальной коре, утолщенной в результате сжатия на границе плиты . Граница плит между Индийской и Азиатской континентальными массами представляет собой хорошо изученный пример, поскольку Тибетское плато к северу от границы имеет кору толщиной около 80 километров, что примерно в два раза превышает толщину нормальной континентальной коры. Исследования удельного электрического сопротивления, полученные на основе магнитотеллурических данных, обнаружили слой, который, по-видимому, содержит силикатный расплав и простирается как минимум на 1000 километров в средней коре вдоль южной окраины Тибетского нагорья. [43] Гранит и риолит — это типы магматических пород, которые обычно интерпретируются как продукты плавления континентальной коры из-за повышения температуры. Повышение температуры также может способствовать плавлению литосферы , утянутой в зону субдукции. [ нужна цитата ]
Большинство магм полностью расплавляются лишь на протяжении небольшой части своей истории. Чаще всего они представляют собой смесь расплава и кристаллов, а иногда и пузырьков газа. Расплав, кристаллы и пузыри обычно имеют разную плотность и поэтому могут разделяться по мере развития магмы.
По мере охлаждения магмы минералы обычно кристаллизуются из расплава при разных температурах ( фракционная кристаллизация ). По мере кристаллизации минералов состав остаточного расплава обычно меняется. Если из расплава отделяются кристаллы, то остаточный расплав будет отличаться по составу от материнской магмы. Например, магма габброового состава может дать остаточный расплав гранитного состава, если от магмы отделить ранее образовавшиеся кристаллы. Габбро может иметь температуру ликвидуса около 1200 ° C, а производный расплав гранитного состава может иметь температуру ликвидуса всего около 700 ° C. Несовместимые элементы концентрируются в последних остатках магмы во время фракционной кристаллизации и в первых расплавах, образующихся во время частичного плавления: любой процесс может образовать магму, которая кристаллизуется в пегматит , тип породы, обычно обогащенный несовместимыми элементами. Ряд реакций Боуэна важен для понимания идеализированной последовательности фракционной кристаллизации магмы. Клинопироксеновая термобарометрия используется для определения температурно-барических условий, при которых происходила дифференциация магмы для конкретных магматических пород. [ нужна цитата ]
Состав магмы может определяться другими процессами, помимо частичного плавления и фракционной кристаллизации. Например, магмы обычно взаимодействуют с камнями, в которые они проникают, как плавя эти камни, так и вступая в реакцию с ними. Магмы разного состава могут смешиваться друг с другом. В редких случаях расплавы могут разделиться на два несмешивающихся расплава контрастного состава. [ нужна цитата ]
.jpg/1280px-Kanaga_Volcano_(22432739869).jpg)
.jpg/1280px-%22This_means_something._This_is_important%22_(19967592275).jpg)
.jpg/1280px-Happy_Anniversary_Hawaii_(14802198589).jpg)
