Магматическая вода , также известная как ювенильная вода , представляет собой водную фазу, находящуюся в равновесии с минералами, которые были растворены магмой глубоко в земной коре и выброшены в атмосферу во время извержения вулкана . Он играет ключевую роль в оценке кристаллизации магматических пород , особенно силикатов , а также реологии и эволюции магматических очагов . Магма состоит из минералов , кристаллов и летучих веществ в различных относительных природных количествах . [1] Магматическая дифференциация значительно варьируется в зависимости от различных факторов, в первую очередь от присутствия воды. [2] Обилие летучих веществ в магматических очагах снижает вязкость и приводит к образованию минералов, содержащих галогены , включая хлоридные и гидроксидные группы. Кроме того, относительное содержание летучих веществ варьируется в базальтовых , андезитовых и риолитовых магматических очагах, что приводит к тому, что некоторые вулканы чрезвычайно взрывоопасны, чем другие. Магматическая вода практически нерастворима в силикатных расплавах, но наибольшую растворимость продемонстрировала в риолитовых расплавах. Было показано, что обилие магматической воды приводит к сильной деформации, изменяя количество δ 18 O и δ 2 H во вмещающих породах.
Магма существует в трех основных формах, различающихся по составу. [3] Когда магма кристаллизуется в земной коре , она образует экструзивную магматическую породу. В зависимости от состава магмы она может образовывать риолит , андезит или базальт . [3] Летучие вещества, особенно вода и углекислый газ, существенно влияют на поведение каждой формы магмы по-разному. [4] , [2] Магма с высокой концентрацией летучих веществ имеет значительное снижение температуры до сотен градусов, что снижает ее собственную вязкость. [5] Поведение магмы также меняется в зависимости от минералогического состава, что показано на рисунке 1 . Например, магматическая вода приводит к кристаллизации нескольких минералов, богатых гидроксильными или галогенированными группами, включая гранаты . Анализы этих минералов могут быть использованы для анализа условий формирования в недрах скалистых планет . [5] , [6]
Летучие вещества присутствуют почти во всей магме в разных концентрациях. Примеры летучих веществ в магме включают воду, углекислый газ и галогенные газы. [1] Высокое давление позволяет этим летучим веществам оставаться относительно стабильными в растворе. [1] Однако со временем, когда магматическое давление снижается, летучие вещества будут выходить из раствора в газовой фазе, что еще больше снижает магматическое давление. [1] Эти перепады давления вызывают резкие различия в объеме магмы. [1] Разница давлений приводит к тому, что некоторые формы вулканов становятся очень взрывоопасными , а другие — эффузивными . [1]
Примером минерала, содержащего гидроксильные группы, является гранат. Гранат — безводный минерал, который обычно анализируют в геологических дисциплинах из-за его общей стабильности. Одно исследование проанализировало присутствие гранатов в верхней мантии с помощью инфракрасной спектроскопии и показало поглощение при частоте около 3500 см -1 , что согласуется с наличием гидроксильных групп. Было показано, что эти гранаты различаются по составу в зависимости от их географического происхождения. [6] Одно конкретное исследование, проведенное в Южной Африке, определило концентрации в диапазоне от 1 до 135 частей на миллион. [6] Однако это значительно ниже, чем содержание гидроксила в таких регионах, как плато Колорадо . Также было показано, что существует обратная корреляция между концентрацией OH и Mg + Fe.
Базальтовая магма наиболее богата железом, магнием и кальцием, но наименьшим содержанием кремнезема, калия и натрия. [1] , [3] Состав кремнезема в базальтовой магме колеблется в пределах 45-55 весовых процентов (мас.%), или массовой доли вида. [1] Он образуется при температуре примерно от 1830 до 2200 °F. [1] , [3] Базальтовая магма имеет самую низкую вязкость и содержание летучих веществ, но при этом может быть в 100 000 раз более вязкой, чем вода. [1] Из-за низкой вязкости это наименее взрывоопасная форма магмы. Базальтовую магму можно найти в таких регионах, как Гавайи , известные своими щитовыми вулканами . [1] , [7]
Базальтовая магма образует такие минералы, как богатый кальцием плагиоклаз, полевой шпат и пироксен . Состав воды базальтовой магмы варьируется в зависимости от эволюции магматического очага. Дуговые магмы, такие как Изару в Коста-Рике, составляют 3,2-3,5 мас.%. [8]
Андезитовая магма является промежуточной магмой и примерно равномерно распределена по железу, магнию, кальцию, натрию и калию. [1] [3] Кремнеземный состав андезитовой магмы колеблется в пределах 55 - 65 мас.%. [1] Он образуется при температуре примерно от 1470 до 1830 °F. [1] , [3] Андезитовая магма имеет промежуточную вязкость и содержание летучих веществ. [1] Он образует такие минералы, как плагиоклаз, полевой шпат, слюда и амфибол .
Риолитовая магма кислого цвета и наиболее богата кремнеземом, калием и натрием, но наименьшим содержанием железа, магния и кальция. [1] [3] Кремнеземистый состав риолитовой магмы колеблется в пределах 65-75 мас.%. [1] Он образуется в диапазоне самых низких температур, примерно от 1200 до 1470 °F. [1] , [3] Риолитовая магма имеет самую высокую вязкость и газосодержание. [1] Он производит самые взрывные извержения вулканов, в том числе катастрофическое извержение Везувия . [1] Он образует такие минералы, как ортоклазный полевой шпат, богатый натрием плагиоклазовый полевой шпат, кварц , слюда и амфибол.
На осаждение минералов влияет растворимость воды в силикатных расплавах, которая обычно существует в виде гидроксильных групп, связанных с Si 4+ или катионами группы 1 и группы 2 в концентрациях примерно 6-7 мас. %. [9] , [10] В частности, равновесие воды и растворенного кислорода дает гидроксиды, где K -экв аппроксимируется между 0,1 и 0,3. [10]
Эта собственная растворимость низка, но сильно варьируется в зависимости от давления в системе. Риолитовые магмы имеют самую высокую растворимость: от примерно 0% на поверхности до почти 10% при 1100 °C и давлении 5 кбар . Дегазация происходит, когда водная магма поднимается вверх, постепенно превращая растворенную воду в водную фазу. Эта водная фаза обычно богата летучими веществами, металлами ( медью , свинцом , цинком , серебром и золотом ), а также катионами групп 1 и 2. В зависимости от того, с каким катионом связан гидроксил, он существенно влияет на свойства извержения вулкана, особенно на его взрывоопасность. [9] В условиях необычно высоких температур и давлений, превышающих 374 °C и 218 бар, вода переходит в сверхкритическое жидкое состояние и перестает быть жидкостью или газом. [9]
Изотопные данные из различных мест Срединно -Атлантического хребта указывают на присутствие интрузивных магматических пород от основного до кислого состава, включая габбро , диорит и плагиогранит . [11] Эти породы показали высокую степень метаморфизма из-за присутствия магматической воды, температура которой превышает 600 ° C. Эта деформация истощила вмещающие породы 18 O, что привело к дальнейшему анализу соотношения 18 O к 16 O ( δ 18 O ). [11]
Вода, находящаяся в равновесии с магматическими расплавами , должна иметь одинаковую изотопную подпись для 18 O и δ 2 H. Однако изотопные исследования магматической воды продемонстрировали сходство с метеорной водой , что указывает на циркуляцию магматических и метеорных систем подземных вод. [12]
Изотопный анализ флюидных включений указывает на широкий диапазон содержания δ 18 O и δ 2 H. [13] Исследования в этих средах показали содержание 18 O и обеднение 2 H по сравнению с SMOW и метеорными водами. Данные о флюидных включениях в рудных месторождениях показали, что присутствие δ 18 O и δ 2 H находится в пределах ожидаемого диапазона.