В геологии магматическая дифференциация или магматическая дифференциация — это общий термин для различных процессов, посредством которых магмы подвергаются объемным химическим изменениям во время процесса частичного плавления , охлаждения, размещения или извержения . Последовательность (обычно все более кремнистых) магм, образованных магматической дифференциацией, известна как магматическая серия .
Когда порода плавится, образуя жидкость, эта жидкость называется первичным расплавом . Первичные расплавы не претерпели никакой дифференциации и представляют собой исходный состав магмы. В природе первичные расплавы встречаются редко. Некоторые лейкосомы мигматитов являются примерами первичных расплавов. Первичные расплавы, полученные из мантии , особенно важны и известны как примитивные расплавы или примитивные магмы . Найдя состав примитивной магмы магматической серии, можно смоделировать состав породы, из которой образовался расплав, что важно, поскольку у нас мало прямых доказательств существования мантии Земли.
Если невозможно найти примитивный или первичный состав магмы, часто бывает полезно попытаться определить родительский расплав. Родительский расплав — это состав магмы, из которого наблюдаемый диапазон химии магмы был получен в результате процессов магматической дифференциации. Это не обязательно должен быть примитивный расплав.
Например, предполагается, что ряд базальтовых лавовых потоков связаны друг с другом. Состав, из которого они могли бы быть разумно получены путем фракционной кристаллизации, называется родительским расплавом . Чтобы доказать это, будут созданы модели фракционной кристаллизации для проверки гипотезы о том, что они разделяют общий родительский расплав.
Фракционная кристаллизация и накопление кристаллов, образовавшихся в процессе дифференциации магматического события, известны как кумулятивные породы , и эти части являются первыми, которые кристаллизуются из магмы. Определение того, является ли порода кумулятивной или нет, имеет решающее значение для понимания того, можно ли ее смоделировать обратно к первичному расплаву или примитивному расплаву, а определение того, выпала ли из магмы кумулятивная минерализация , одинаково важно даже для пород, которые не содержат вкрапленников .
Основной причиной изменения состава магмы является охлаждение , которое является неизбежным следствием образования магмы и ее перемещения из места частичного плавления в область с меньшим напряжением — как правило, в более холодный объем земной коры.
Охлаждение заставляет магму начать кристаллизовать минералы из расплава или жидкой части магмы. Большинство магм представляют собой смесь жидкой породы (расплава) и кристаллических минералов (фенокристаллов).
Загрязнение является еще одной причиной дифференциации магмы. Загрязнение может быть вызвано ассимиляцией стеновых пород, смешением двух или более магм или даже пополнением магматической камеры свежей, горячей магмой.
Весь спектр механизмов дифференциации получил название процесса FARM, что означает фракционную кристаллизацию, ассимиляцию, пополнение и смешивание магмы.
Фракционная кристаллизация — это удаление и выделение из расплава минеральных осадков, что изменяет состав расплава. Это один из важнейших геохимических и физических процессов, происходящих в земной коре и мантии .
Фракционная кристаллизация в силикатных расплавах (магмах) — очень сложный процесс по сравнению с химическими системами в лаборатории, поскольку на него влияет широкий спектр явлений. Главными из них являются состав, температура и давление магмы во время ее охлаждения.
Состав магмы является основным фактором, определяющим, какой минерал кристаллизуется по мере остывания расплава после ликвидуса . Например, в основных и ультраосновных расплавах содержание MgO и SiO 2 определяет, будет ли осаждать форстерит- оливин или энстатит- пироксен .
Две магмы схожего состава и температуры при разном давлении могут кристаллизовать разные минералы. Примером может служить фракционная кристаллизация гранитов при высоком давлении и высокой температуре, в результате которой образуются граниты с одним полевым шпатом , и условия низкого давления и низкой температуры, в результате которых образуются граниты с двумя полевыми шпатами.
Парциальное давление летучих фаз в силикатных расплавах также имеет первостепенное значение, особенно при кристаллизации гранитов в условиях, близких к солидусу .
Ассимиляцию можно в широком смысле определить как процесс, при котором масса магмы полностью или частично гомогенизируется с материалами, полученными из стеновой породы магматического тела. [1] Ассимиляция является популярным механизмом, частично объясняющим фельзификацию ультраосновных и основных магм по мере их подъема через кору: горячий примитивный расплав, внедряющийся в более холодную, кислую кору, расплавляет кору и смешивается с полученным расплавом. [2] Это затем изменяет состав примитивной магмы. Кроме того, ранее существовавшие основные вмещающие породы могут быть ассимилированы очень горячими примитивными магмами. [3] [4]
Эффекты ассимиляции на химию и эволюцию магматических тел ожидаемы и были четко доказаны во многих местах. В начале 20-го века была оживленная дискуссия об относительной важности процесса в магматической дифференциации. [5] [6] Однако более поздние исследования показали, что ассимиляция играет фундаментальную роль в изменении микроэлементного и изотопного состава магм, [7] в формировании некоторых экономически важных рудных месторождений, [8] и в возникновении вулканических извержений. [9]
Когда расплав охлаждается вдоль жидкой линии спуска, результаты ограничиваются образованием однородного твердого тела интрузивной породы с однородной минералогией и составом или частично дифференцированной кумулятивной массы со слоями, композиционными зонами и т. д. Такое поведение довольно предсказуемо и достаточно легко доказать с помощью геохимических исследований. В таких случаях магматическая камера будет образовывать близкое приближение к идеальному ряду реакций Боуэна . Однако большинство магматических систем представляют собой полифазные события с несколькими импульсами магматизма. В таком случае жидкостная линия спуска прерывается инъекцией свежей порции горячей недифференцированной магмы. Это может вызвать экстремальную фракционную кристаллизацию из-за трех основных эффектов:
Смешивание магмы — это процесс, при котором две магмы встречаются, смешиваются и образуют магму, состав которой находится где-то между двумя конечными магмами.
Смешивание магмы является обычным процессом в вулканических магматических очагах, которые представляют собой камеры открытой системы, куда магма поступает, [10] подвергается той или иной форме ассимиляции, фракционной кристаллизации и частичному извлечению расплава (путем извержения лавы) и пополняется.
Смешивание магмы также имеет тенденцию происходить на более глубоких уровнях в коре и считается одним из основных механизмов формирования промежуточных пород, таких как монцонит и андезит . Здесь, из-за теплопередачи и увеличения потока летучих веществ из-за субдукции , кремниевая кора плавится, образуя фельзитовую магму (в основном гранитную по составу). Эти гранитные расплавы известны как подплитные . Базальтовые первичные расплавы, образованные в мантии под корой, поднимаются и смешиваются с подплитными магмами, в результате чего получается нечто среднее между базальтом и риолитом ; буквально «промежуточный» состав.
Конвекция в большой магматической камере обусловлена взаимодействием сил, создаваемых тепловой конвекцией, и сопротивлением, оказываемым трением, вязкостью и сопротивлением магме, оказываемым стенками магматической камеры. Часто вблизи краев магматической камеры, которая является конвекционной, концентрически снаружи внутрь образуются более холодные и вязкие слои, определяемые разрывами вязкости и температуры. Это формирует ламинарный поток , который разделяет несколько доменов магматической камеры, которые могут начать дифференцироваться по отдельности.
Полосчатость потока является результатом процесса фракционной кристаллизации, которая происходит посредством конвекции, если кристаллы, попавшие в полосчатые границы потока, удаляются из расплава. Трение и вязкость магмы заставляют фенокристаллы и ксенолиты внутри магмы или лавы замедляться вблизи интерфейса и попадать в вязкий слой. Это может изменить состав расплава в крупных интрузиях , что приводит к дифференциации.
Ссылаясь на определения, приведенные выше, магматический очаг будет иметь тенденцию к охлаждению и кристаллизации минералов в соответствии с жидкой линией спуска. Когда это происходит, особенно в сочетании с зональностью и накоплением кристаллов, и часть расплава удаляется, это может изменить состав магматического очага. Фактически, это в основном фракционная кристаллизация, за исключением того, что в этом случае мы наблюдаем магматический очаг, который является остатком, из которого был извлечен дочерний расплав.
Если такой магматический очаг продолжает остывать, образующиеся в нем минералы и его общий состав не будут соответствовать жидкой линии падения образца или составу исходной магмы.
Стоит повторить, что магматические камеры обычно не являются статичными едиными образованиями. Типичная магматическая камера формируется из серии инъекций расплава и магмы, и большинство из них также подвергаются некоторой форме частичного извлечения расплава.
Гранитные магмы, как правило, намного более вязкие, чем мафические магмы, и обычно более однородны по составу. Обычно считается, что это вызвано вязкостью магмы, которая на порядки выше, чем у мафических магм. Более высокая вязкость означает, что при расплавлении гранитная магма будет стремиться двигаться в большей согласованной массе и размещаться как большая масса, поскольку она менее жидкая и способна двигаться. Вот почему граниты, как правило, встречаются в виде крупных плутонов , а мафические породы — в виде даек и силлов .
Граниты более холодные и поэтому менее способны плавить и ассимилировать вмещающие породы. Массовое загрязнение поэтому незначительно и необычно, хотя смешивание гранитных и базальтовых расплавов не является чем-то неизвестным, когда базальт впрыскивается в гранитные магматические камеры.
Мафические магмы более склонны к течению, и поэтому более вероятно, что они будут подвергаться периодическому пополнению магматической камеры. Поскольку они более жидкие, осаждение кристаллов происходит гораздо быстрее, что приводит к большим изменениям за счет фракционной кристаллизации. Более высокие температуры также позволяют мафическим магмам легче ассимилировать стеновые породы, и поэтому загрязнение более распространено и лучше развито.
Все магматические магмы содержат растворенные газы ( воду , углекислоту , сероводород , хлор, фтор, борную кислоту и т. д.). Из них вода является основной, и ранее считалось, что она просачивалась вниз с поверхности Земли к нагретым породам ниже, но теперь общепризнано, что она является неотъемлемой частью магмы. Многие особенности структуры плутонических пород по сравнению с лавами могут быть разумно объяснены действием этих газов, которые не могли выходить, поскольку глубинные массы медленно охлаждались, в то время как они быстро отдавались поверхностными излияниями. Кислые плутонические или интрузивные породы никогда не воспроизводились лабораторными экспериментами, и единственными успешными попытками получить их минералы искусственным путем были те, в которых были приняты специальные меры для удержания «минерализующих» газов в используемых тиглях или запечатанных трубках. Эти газы часто не входят в состав породообразующих минералов, поскольку большинство из них не содержат воды, углекислоты и т. д. Следовательно, по мере кристаллизации остаточный расплав должен содержать все большую долю летучих компонентов. Вполне возможно, что на конечных стадиях еще некристаллизованная часть магмы больше похожа на раствор минерального вещества в перегретом паре, чем на сухой магматический расплав. Кварц, например , является последним минералом, образующимся в граните. Он несет на себе большую часть отпечатка кварца, который, как мы знаем, откладывается из водного раствора в жилах и т. д. В то же время он является самым тугоплавким из всех распространенных минералов горных пород. Его позднее образование показывает, что в этом случае он возник при сравнительно низких температурах, и ясно указывает на особую важность газов магмы как определяющих последовательность кристаллизации. [6]
Когда затвердевание почти завершено, газы больше не могут удерживаться в породе и выходят через трещины на поверхность. Они являются мощными агентами, атакующими минералы пород, которые они пересекают, и примеры их действия обнаружены в каолинизации гранитов, турмалинизации и образовании грейзенов , отложении кварцевых жил и группе изменений, известных как пропилитизация. Эти «пневматолитические» процессы имеют первостепенное значение в генезисе многих рудных месторождений . Они являются реальной частью истории самой магмы и составляют конечные фазы вулканической последовательности. [6]
Существует несколько методов прямого измерения и количественной оценки процессов магматической дифференциации;
Во всех случаях основным и наиболее ценным методом идентификации процессов дифференциации магмы является картирование обнаженных пород, отслеживание минералогических изменений в магматических породах и описание полевых отношений и текстурных свидетельств дифференциации магмы. Термобарометрия клинопироксена может использоваться для определения давлений и температур дифференциации магмы.
