В геологии магматическая интрузия (или интрузивное тело [1] или просто интрузия [2] ) — это тело интрузивной магматической породы , которое образуется путем кристаллизации магмы, медленно остывающей под поверхностью Земли . Интрузии имеют большое разнообразие форм и составов, что иллюстрируется такими примерами, как Палисейдс Силл в Нью - Йорке и Нью-Джерси ; [3] горы Генри в Юте ; [4] магматический комплекс Бушвельд в Южной Африке ; [5] Шипрок в Нью-Мексико ; [6] интрузия Арднамурчан в Шотландии ; [7] и батолит Сьерра-Невада в Калифорнии . [8]
Поскольку твердая вмещающая порода , в которую внедряется магма, является отличным изолятором , охлаждение магмы происходит крайне медленно, а интрузивная магматическая порода является крупнозернистой ( фанеритовой ). Интрузивные магматические породы классифицируются отдельно от экструзивных магматических пород, как правило, на основе их минерального состава. Относительное количество кварца , щелочного полевого шпата , плагиоклаза и фельдшпатоида особенно важно при классификации интрузивных магматических пород. [9] [10]
Вторжения должны вытеснять существующий кантри-рок, чтобы освободить себе место. Вопрос о том, как это происходит, называется проблемой комнаты , и он остается предметом активного исследования для многих видов вторжений. [11]
Термин «плутон» плохо определен [12], но использовался для описания интрузии, расположенной на большой глубине; [13] как синоним всех магматических интрузий; [14] как категория мусорной корзины для интрузий, размер или характер которых не определены достаточно хорошо; [15] или как название очень большой интрузии [16] или кристаллизованной магматической камеры . [17] Плутон, который внедрился и скрыл контакт между террейном и прилегающей породой, называется сшивающим плутоном .
Интрузии в целом подразделяются на несогласные интрузии , которые пересекают существующую структуру вмещающей породы, и согласные интрузии , которые внедряются параллельно существующей слоистости или структуре . [18] Они далее классифицируются в соответствии с такими критериями, как размер, очевидный способ происхождения или имеют ли они пластинчатую форму. [1] [2]
Интрузивная сюита — это группа вторжений, связанных во времени и пространстве. [19] [20] [21]
Дайки представляют собой пластинчатые несогласные интрузии, принимающие форму пластов, которые пересекают существующие пласты горных пород. [22] Они, как правило, устойчивы к эрозии, поэтому выделяются как естественные стены на ландшафте. Их толщина варьируется от миллиметровых пленок до более 300 метров (980 футов), а площадь отдельного пласта может составлять 12 000 квадратных километров (4600 квадратных миль). Они также сильно различаются по составу. Дайки образуются путем гидравлического разрыва вмещающей породы магмой под давлением, [23] и чаще встречаются в регионах с растяжением земной коры . [24]
Кольцевые дайки [25] и конусные покровы — это дайки с особыми формами, которые связаны с образованием кальдер . [26]
Вулканические жерла являются питающими трубами для вулканов , которые были обнажены эрозией . Поверхностные обнажения обычно цилиндрические, но интрузия часто становится эллиптической или даже клеверной -образной на глубине. Дайки часто расходятся от вулканического жерла, что предполагает, что жерла имеют тенденцию образовываться на пересечениях даек, где прохождение магмы наименее затруднено. [11]
Диатремы и брекчиевые трубки — это трубчатые тела брекчии , которые образуются в результате определенных видов взрывных извержений . [27] Поскольку они достигли поверхности, они на самом деле являются экструзиями, но неизвергнутый материал является интрузией и, действительно, из-за эрозии его может быть трудно отличить от интрузии, которая никогда не достигала поверхности, когда была магмой/лавой. Корневой материал диатремы идентичен интрузивному материалу поблизости, если он существует, который никогда не достигал поверхности, когда формировался.
Шток — это непластинчатая несогласованная интрузия, обнажение которой охватывает менее 100 квадратных километров (39 квадратных миль). Хотя это кажется произвольным, особенно потому, что обнажение может быть только верхушкой более крупного интрузивного тела, классификация имеет смысл для тел, площадь которых не сильно меняется с глубиной и которые имеют другие особенности, предполагающие отличительное происхождение и способ размещения. [28]
Батолиты — это несогласные интрузии с открытой площадью более 100 квадратных километров (39 квадратных миль). Некоторые из них имеют поистине огромные размеры, и их нижние контакты очень редко выходят на поверхность. Например, прибрежный батолит Перу имеет длину 1100 километров (680 миль) и ширину 50 километров (31 милю). Обычно они образуются из магмы, богатой кремнеземом , и никогда из габбро или других пород, богатых мафическими минералами, но некоторые батолиты состоят почти полностью из анортозита . [29]
Силл — это таблитчатая согласная интрузия, обычно принимающая форму пласта, параллельного осадочным слоям. В остальном они похожи на дайки. Большинство из них имеют мафический состав, относительно низкое содержание кремнезема, что придает им низкую вязкость, необходимую для проникновения между осадочными слоями. [23]
Лакколит — это согласная интрузия с плоским основанием и куполообразной крышей. Лакколиты обычно образуются на небольшой глубине, менее 3 километров (1,9 мили), [30] и в областях сжатия земной коры. [24]
Лополиты — это конкордантные интрузии с формой блюдца, несколько напоминающие перевернутый лакколит, но они могут быть намного больше и образовываться в результате различных процессов. Их огромный размер способствует очень медленному охлаждению, и это приводит к необычно полной сегрегации минералов, называемой слоистой интрузией . [31]
Конечным источником магмы является частичное плавление горных пород в верхней мантии и нижней коре . Это производит магму, которая менее плотна, чем ее исходная порода. Например, гранитная магма, которая богата кремнеземом, имеет плотность 2,4 Мг/м 3 , что намного меньше, чем 2,8 Мг/м 3 метаморфической породы высокой степени. Это придает магме огромную плавучесть, так что подъем магмы неизбежен, как только накопится достаточно магмы. Однако вопрос о том, насколько большие количества магмы способны отодвинуть в сторону вмещающую породу, чтобы освободить для себя место ( проблема места ), все еще является предметом исследований. [11]
Состав магмы и вмещающей породы, а также напряжения, воздействующие на вмещающую породу, сильно влияют на типы интрузий, которые имеют место. Например, там, где кора подвергается растяжению, магма может легко подняться в трещины растяжения в верхней коре, образуя дайки. [11] Там, где кора находится в состоянии сжатия, магма на небольшой глубине будет иметь тенденцию образовывать лакколиты вместо этого, при этом магма проникает в наименее компетентные слои, такие как сланцевые слои. [24] Кольцевые дайки и конические покровы образуются только на небольшой глубине, где пробка вышележащей вмещающей породы может быть поднята или опущена. [32] Огромные объемы магмы, вовлеченные в батолиты, могут прокладывать себе путь вверх только тогда, когда магма является высококремнистой и плавучей, и, вероятно, делают это в виде диапиров в пластичной глубокой коре и посредством множества других механизмов в хрупкой верхней коре. [33]
Магматические интрузии могут образовываться из одного магматического события или нескольких дополнительных событий. Последние данные свидетельствуют о том, что дополнительное образование более характерно для крупных интрузий. [34] [35] Например, Palisades Sill никогда не был единым телом магмы толщиной 300 метров (980 футов), а был образован из нескольких инъекций магмы. [36] Интрузивное тело описывается как множественное , когда оно образуется из повторных инъекций магмы схожего состава, и как составное , когда оно образуется из повторных инъекций магмы разного состава. Составная дайка может включать такие разные породы, как гранофир и диабаз . [37]
Хотя визуальных свидетельств множественных инъекций в полевых условиях зачастую мало, геохимические свидетельства имеются. [38] Зонирование циркона дает важные доказательства для определения того, было ли одно магматическое событие или серия инъекций методами размещения.
Крупные фельзитовые интрузии, вероятно, образуются в результате плавления нижней коры, которая была нагрета вторжением мафической магмы из верхней мантии. Различная плотность фельзитовой и мафической магмы ограничивает смешивание, так что кремниевая магма плавает на мафической магме. Такое ограниченное смешивание, которое имеет место, приводит к небольшим включениям мафической породы, обычно встречающимся в гранитах и гранодиоритах. [39]
Вторжение магмы теряет тепло в окружающую вмещающую породу посредством теплопроводности. Вблизи контакта горячего материала с холодным материалом, если горячий материал изначально имеет однородную температуру, температурный профиль поперек контакта задается соотношением
где — начальная температура горячего материала, k — температуропроводность (обычно близкая к 10−6 м2 с − 1 для большинства геологических материалов), x — расстояние от контакта, а t — время с момента внедрения. Эта формула предполагает, что магма, близкая к контакту, будет быстро охлаждаться, в то время как вмещающая порода, близкая к контакту, быстро нагревается, в то время как материал, удаленный от контакта, будет гораздо медленнее охлаждаться или нагреваться. [40] Таким образом, охлажденная граница часто обнаруживается на стороне интрузии контакта, [41] в то время как контактный ореол обнаруживается на стороне вмещающей породы. Охлажденная граница гораздо более мелкозернистая, чем большая часть интрузии, и может отличаться по составу, отражая начальный состав интрузии до того, как фракционная кристаллизация, ассимиляция вмещающей породы или дальнейшие магматические инъекции изменили состав остальной части интрузии. [42] Изотермы (поверхности постоянной температуры) распространяются от края в соответствии с законом квадратного корня, [40] так что если самому внешнему метру магмы требуется десять лет, чтобы остыть до заданной температуры, следующему внутреннему метру потребуется 40 лет, следующему — 90 лет и так далее.
Это идеализация, и такие процессы, как конвекция магмы (когда охлажденная магма рядом с контактом опускается на дно магматической камеры, а более горячая магма занимает ее место) могут изменить процесс охлаждения, уменьшая толщину охлажденных краев и ускоряя охлаждение интрузии в целом. [43] Однако очевидно, что тонкие дайки будут остывать гораздо быстрее, чем более крупные интрузии, что объясняет, почему небольшие интрузии вблизи поверхности (где вмещающая порода изначально холодная) часто почти такие же мелкозернистые, как вулканическая порода.
Структурные особенности контакта между интрузией и вмещающей породой дают ключи к условиям, при которых произошло вторжение. Катазональные интрузии имеют толстый ореол, который переходит в интрузивное тело без резкой границы, что указывает на значительную химическую реакцию между интрузией и вмещающей породой, и часто имеют широкие мигматитовые зоны. Слоистость в интрузии и окружающей вмещающей породе примерно параллельна, с признаками экстремальной деформации вмещающей породы. Такие интрузии интерпретируются как происходящие на большой глубине. Мезозональные интрузии имеют гораздо более низкую степень метаморфизма в своих контактных ореолах, и контакт между вмещающей породой и интрузией четко различим. Мигматиты редки, а деформация вмещающей породы умеренная. Такие интрузии интерпретируются как происходящие на средней глубине. Эпизональные интрузии несогласны с вмещающими породами и имеют резкие контакты с охлажденными границами, с ограниченным метаморфизмом в контактном ореоле, и часто содержат ксенолитические фрагменты вмещающих пород, предполагающие хрупкое разрушение. Такие интрузии интерпретируются как происходящие на небольшой глубине и обычно связаны с вулканическими породами и структурами обрушения. [44]
Интрузия не кристаллизует все минералы сразу; скорее, существует последовательность кристаллизации, которая отражена в серии реакций Боуэна . Кристаллы, образовавшиеся на ранней стадии охлаждения, как правило, плотнее оставшейся магмы и могут осаждаться на дне большого интрузивного тела. Это образует кумулятивный слой с характерной текстурой и составом. [45] Такие кумулятивные слои могут содержать ценные рудные залежи хромита . [46] [47] Обширный магматический комплекс Бушвельд в Южной Африке включает кумулятивные слои редкого типа породы, хромитита, состоящего на 90% из хромита, [48]
