В геологии магматическая интрузия (или интрузивное тело [1] или просто интрузия [2] ) — это тело интрузивной магматической породы , образующееся в результате кристаллизации магмы , медленно остывающей под поверхностью Земли . Вторжения имеют большое разнообразие форм и композиций, что иллюстрируется такими примерами, как Палисейдс Силл в Нью-Йорке и Нью-Джерси ; [3] горы Генри в штате Юта ; [4] Бушвельдский магматический комплекс Южной Африки ; [5] Шипрок в Нью-Мексико ; [6] вторжение Арднамурчан в Шотландию ; [7] и батолит Сьерра-Невада в Калифорнии . [8]
Поскольку твердая вмещающая порода , в которую внедряется магма, является отличным изолятором , остывание магмы происходит крайне медленно, а интрузивная магматическая порода является крупнозернистой ( фанеритовой ). Интрузивные магматические породы классифицируются отдельно от экструзивных магматических пород, как правило, на основании их минерального состава. Относительное количество кварца , щелочного полевого шпата , плагиоклаза и полевого шпата особенно важно при классификации интрузивных магматических пород. [9] [10]
Вторжения должны вытеснить существующие скальные породы, чтобы освободить место для себя. Вопрос о том, как это происходит, называется проблемой комнаты и остается предметом активного исследования для многих видов вторжений. [11]
Термин «плутон» плохо определен [12] , но использовался для описания вторжения, произошедшего на большой глубине; [13] как синоним всех магматических интрузий; [14] как категория мусорной корзины для вторжений, размер или характер которых точно не определены; [15] или как название очень крупной интрузии [16] или кристаллизованного магматического очага . [17] Плутон, который внедрился и скрыл контакт между террейном и прилегающей породой, называется сшивающим плутоном .
Интрузии в общих чертах делятся на несогласованные интрузии , которые прорезают существующую структуру вмещающей породы, и согласованные интрузии , которые внедряются параллельно существующей подстилке или ткани . [18] Далее они классифицируются по таким критериям, как размер, очевидный способ происхождения или табличная форма. [1] [2]
Интрузивный комплекс – это группа вторжений, связанных во времени и пространстве. [19] [20] [21]
Дайки представляют собой пластинчатые несогласные интрузии, имеющие форму пластин, прорезающих существующие пласты горных пород. [22] Они имеют тенденцию противостоять эрозии, поэтому выделяются на ландшафте как естественные стены. Их толщина варьируется от миллиметровых пленок до более 300 метров (980 футов), а площадь отдельного листа может достигать 12 000 квадратных километров (4600 квадратных миль). Они также сильно различаются по составу. Дайки образуются в результате гидравлического разрыва вмещающих пород магмой под давлением [23] и более распространены в регионах напряжения земной коры . [24]
Кольцевые дайки [25] и конусные пластины представляют собой дайки особой формы, связанные с образованием кальдер . [26]
Вулканические шейки — это питающие трубы вулканов , подвергшихся эрозии . Поверхностные обнажения обычно имеют цилиндрическую форму, но на глубине интрузия часто становится эллиптической или даже клеверной . Дайки часто расходятся от вулканического шейки, что позволяет предположить, что шейки имеют тенденцию образовываться на пересечениях даек, где проход магмы наименее затруднен. [11]
Трубки диатремы и брекчии представляют собой трубчатые тела брекчии , образовавшиеся в результате определенных видов эксплозивных извержений . [27] Поскольку они достигли поверхности, они на самом деле представляют собой экструзии, но неизвергнутый материал является интрузией, и действительно из-за эрозии их может быть трудно отличить от интрузии, которая никогда не достигала поверхности в виде магмы/лавы. Корневой материал диатремы идентичен находящемуся поблизости интрузивному материалу, если он существует, который при формировании никогда не достигал поверхности.
Запас представляет собой нетабличное несогласованное вторжение, площадь территории которого составляет менее 100 квадратных километров (39 квадратных миль). Хотя это кажется произвольным, особенно потому, что обнажение может представлять собой лишь верхушку более крупного интрузивного тела, классификация имеет смысл для тел, площадь которых не сильно меняется с глубиной и которые имеют другие особенности, предполагающие различное происхождение и способ размещения. [28]
Батолиты представляют собой несогласованные интрузии с обнаженной площадью более 100 квадратных километров (39 квадратных миль). Некоторые из них имеют поистине огромные размеры, и их нижние контакты очень редко оголяются. 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 темноцветными минералами, но некоторые батолиты почти полностью состоят из анортозита . [29]
Силл — это таблитчатая согласная интрузия, обычно имеющая форму пластины, параллельной осадочным слоям. В остальном они похожи на дамбы. Большинство из них имеют основной состав с относительно низким содержанием кремнезема, что придает им низкую вязкость, необходимую для проникновения между осадочными пластами. [23]
Лакколит представляет собой согласный интрузив с плоским основанием и куполообразной крышей. Лакколиты обычно образуются на небольшой глубине, менее 3 километров (1,9 мили) [30] и в регионах сжатия земной коры. [24]
Лополиты представляют собой согласованные интрузии блюдцевидной формы, чем-то напоминающие перевернутый лакколит, но они могут быть значительно крупнее и образовываться разными процессами. Их огромный размер способствует очень медленному охлаждению, что приводит к необычайно полной сегрегации минералов, называемой слоистой интрузией . [31]
Конечным источником магмы является частичное плавление горных пород верхней мантии и нижней коры . В результате образуется магма, которая менее плотна, чем исходная порода. Например, гранитная магма с высоким содержанием кремнезема имеет плотность 2,4 Мг/м 3 , что намного меньше, чем 2,8 Мг/м 3 высокосортной метаморфической породы. Это придает магме огромную плавучесть, так что подъем магмы неизбежен, как только накопится достаточно магмы. Однако вопрос о том, насколько большое количество магмы способно оттолкнуть вмещающую породу , чтобы освободить себе место ( проблема помещения ), все еще остается предметом исследования. [11]
Состав магмы и вмещающих пород, а также напряжения, воздействующие на вмещающие породы, сильно влияют на виды происходящих интрузий. Например, там, где кора подвергается растяжению, магма может легко подняться в трещины растяжения в верхней коре, образуя дайки. [11] Там, где кора находится под сжатием, магма на небольшой глубине вместо этого будет иметь тенденцию образовывать лакколиты, причем магма проникает в наименее компетентные пласты, такие как пласты сланца. [24] Кольцевые дайки и конусные пластины образуются только на небольшой глубине, где пробка перекрывающих вмещающих пород может быть поднята или опущена. [32] Огромные объемы магмы, вовлеченной в батолиты, могут пробиться вверх только тогда, когда магма очень кремнистая и плавучая, и, вероятно, делают это в виде диапиров в пластичной глубокой коре и с помощью множества других механизмов в хрупкой верхней коре. . [33]
Магматические интрузии могут образоваться в результате одного магматического события или нескольких последовательных событий. Недавние данные свидетельствуют о том, что постепенное формирование чаще встречается при крупных вторжениях. [34] [35] Например, Подоконник Палисадес никогда не был единым телом магмы толщиной 300 метров (980 футов), а образовался в результате множественных инъекций магмы. [36] Интрузивное тело описывается как множественное , когда оно образуется в результате повторных инъекций магмы одинакового состава, и как составное, когда оно образуется в результате повторных инъекций магмы разного состава. Сложная дайка может включать в себя такие разные породы, как гранофир и диабаз . [37]
Хотя визуальных свидетельств множественных закачек на месторождении зачастую мало, существуют геохимические доказательства. [38] Зональность циркона дает важные доказательства для определения того, были ли методы внедрения одним магматическим событием или серией инъекций.
Крупные кислые интрузии, вероятно, образуются в результате плавления нижней коры, нагретой внедрением основной магмы из верхней мантии. Различная плотность кислой и основной магмы ограничивает смешивание, так что кислая магма плавает на основной магме. Такое ограниченное перемешивание приводит к образованию небольших включений основной породы, обычно встречающихся в гранитах и гранодиоритах. [39]
Внедрение магмы передает тепло окружающей вмещающей породе за счет теплопроводности. Вблизи контакта горячего материала с холодным материалом, если горячий материал изначально имеет однородную температуру, профиль температуры поперек контакта определяется соотношением
где — начальная температура горячего материала, k — коэффициент температуропроводности (обычно около 10–6 м 2 с – 1 для большинства геологических материалов), x — расстояние от контакта, а t — время, прошедшее с момента внедрения. Эта формула предполагает, что магма вблизи контакта будет быстро охлаждаться, в то время как вмещающая порода вблизи контакта быстро нагревается, тогда как материал дальше от контакта будет охлаждаться или нагреваться гораздо медленнее. [40] Таким образом, охлажденный край часто встречается на стороне внедрения контакта, [41] в то время как контактный ореол находится на стороне вмещающей породы. Охлажденная окраина гораздо более мелкозернистая, чем большая часть интрузии, и может отличаться по составу, что отражает первоначальный состав интрузии до фракционной кристаллизации, ассимиляции вмещающих пород или дальнейших магматических инъекций, изменивших состав остальной части интрузии. [42] Изотермы (поверхности постоянной температуры) распространяются от границы в соответствии с законом квадратного корня, [40] так что, если самому внешнему метру магмы требуется десять лет, чтобы остыть до заданной температуры, следующий внутренний метр займет 40 лет, следующие 90 лет и так далее.
Это идеализация, и такие процессы, как конвекция магмы (когда охлажденная магма рядом с контактом опускается на дно магматического очага, а ее место занимает более горячая магма) могут изменить процесс охлаждения, уменьшая толщину охлажденных границ и ускоряя охлаждение магматического очага. вторжение в целом. [43] Однако очевидно, что тонкие дайки будут остывать гораздо быстрее, чем более крупные интрузии, что объясняет, почему небольшие интрузии у поверхности (где вмещающие породы изначально холодны) часто почти так же мелкозернистые, как вулканические породы.
Структурные особенности контакта интрузии с вмещающими породами позволяют понять, в каких условиях произошло внедрение. Катазональные интрузии имеют толстый ореол, переходящий в интрузивное тело без резкого края, что указывает на значительную химическую реакцию между интрузией и вмещающими породами, и часто имеют широкие мигматитовые зоны. Слои в интрузии и окружающей вмещающей породе примерно параллельны, с признаками сильной деформации вмещающей породы. Подобные вторжения интерпретируются как происходящие на большой глубине. Мезозональные интрузии имеют гораздо меньшую степень метаморфизма в контактных ореолах, и контакт вмещающих пород с интрузией четко различим. Мигматиты редки, деформация вмещающих пород умеренная. Такие вторжения интерпретируются как происходящие на средней глубине. Эпизональные интрузии несогласны с вмещающими породами, имеют резкие контакты с закаленными краями, имеют лишь ограниченный метаморфизм в контактном ореоле и часто содержат ксенолитические обломки вмещающих пород, свидетельствующие о хрупкой трещиноватости. 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 ранних этапах остывания, обычно плотнее остальной магмы и могут оседать на дно большого интрузивного тела. Это образует кумулятивный слой с характерной текстурой и составом. [45] Такие кумулатные слои могут содержать ценные рудные месторождения хромита . [46] [47] Обширный Бушвелдский магматический комплекс в Южной Африке включает кумулятивные слои редкого типа породы, хромитита, состоящего на 90% из хромита, [48]
