В геологии магматическая дифференциация или магматическая дифференциация — это общий термин для различных процессов, посредством которых магма подвергается массовым химическим изменениям во время процесса частичного плавления , охлаждения, внедрения или извержения . Последовательность магм (обычно все более кислых), образующихся в результате магматической дифференциации, известна как серия магм .
Когда горная порода плавится с образованием жидкости, жидкость называется первичным расплавом . Первичные расплавы не подверглись дифференциации и представляют собой исходный состав магмы. В природе первичные расплавы встречаются редко. Некоторые лейкосомы мигматитов являются примерами первичных расплавов. Особое значение имеют первичные расплавы, происходящие из мантии и известные как примитивные расплавы или примитивные магмы . Найдя примитивный состав магмы из серии магм, можно смоделировать состав породы, из которой образовался расплав, что важно, поскольку у нас мало прямых свидетельств существования мантии Земли.
Там, где невозможно определить примитивный или первичный состав магмы, часто полезно попытаться идентифицировать родительский расплав. Исходный расплав представляет собой состав магмы, из которого наблюдаемый диапазон химического состава магмы образовался в результате процессов магматической дифференциации. Это не обязательно должно быть примитивное плавление.
Например, предполагается, что серия потоков базальтовой лавы связана друг с другом. Состав, из которого они могут быть получены путем фракционной кристаллизации, называется исходным расплавом . Чтобы доказать это, будут созданы модели фракционной кристаллизации для проверки гипотезы о том, что они имеют общий исходный расплав.
Фракционная кристаллизация и накопление кристаллов, образовавшихся в процессе дифференциации магматического события, известны как кумулятивные породы , и те части, которые первыми кристаллизуются из магмы. Определение того, является ли порода кумулатом или нет, имеет решающее значение для понимания того, можно ли ее смоделировать обратно в первичный расплав или примитивный расплав, а определение того, выпала ли магма кумулятивных минералов , одинаково важно даже для пород, которые не содержат вкрапленников .
Основной причиной изменения состава магмы является охлаждение , которое является неизбежным следствием формирования магмы и ее миграции из места частичного плавления в область меньшего напряжения — как правило, в более холодный объем земной коры.
Охлаждение приводит к тому, что магма начинает кристаллизовать минералы из расплава или жидкой части магмы. Большинство магм представляют собой смесь жидкой породы (расплава) и кристаллических минералов (вкрапленников).
Загрязнение является еще одной причиной дифференциации магмы. Загрязнение может быть вызвано ассимиляцией вмещающих пород, смешением двух или более магм или даже пополнением магматического очага свежей горячей магмой.
Весь спектр механизмов дифференциации получил название процесса FARM, который означает фракционную кристаллизацию, ассимиляцию, пополнение и перемешивание магмы.
Фракционная кристаллизация — это удаление и выделение из расплава минеральных осадков, что приводит к изменению состава 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 влияют самые разнообразные явления. Главными среди них являются состав, температура и давление магмы во время ее охлаждения.
Состав магмы является основным фактором, определяющим кристаллизацию минерала по мере того, как расплав остывает после ликвидуса . Например, в основных и ультраосновных расплавах содержание MgO и SiO 2 определяет, выпадает ли форстеритовый оливин или энстатитовый пироксен .
Две магмы одинакового состава и температуры при разном давлении могут кристаллизовать разные минералы. Примером может служить фракционная кристаллизация гранитов под высоким давлением и при высоких температурах с получением однополевошпатовых гранитов , а также в низкотемпературных и низкотемпературных условиях с получением двухполевошпатовых гранитов.
Парциальное давление летучих фаз в силикатных расплавах также имеет первостепенное значение, особенно при околосолидусной кристаллизации гранитов.
Ассимиляцию можно в широком смысле определить как процесс, при котором масса магмы полностью или частично гомогенизируется с материалами, полученными из вмещающих пород магматического тела. [1] Ассимиляция - популярный механизм, частично объясняющий фельсификацию ультраосновных и основных магм по мере их подъема через земную кору: горячий примитивный расплав, проникающий в более холодную кислую кору, расплавляет кору и смешивается с образовавшимся расплавом. [2] Это затем меняет 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 вполне ожидаемы, и они были четко доказаны во многих местах. В начале 20 века шла оживленная дискуссия об относительной важности этого 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 высыпания. [9]
При охлаждении расплава по линии спуска жидкости результаты ограничиваются образованием однородного твердого тела интрузивной породы с однородным минералогическим составом или частично дифференцированной кумулятивной массы со слоями, зонами состава и т.п. Такое поведение достаточно предсказуемо и его достаточно легко доказать геохимическими исследованиями. В таких случаях магматическая камера будет образовывать близкую аппроксимацию идеальной серии реакций Боуэна . Однако большинство магматических систем представляют собой полифазные явления с несколькими импульсами магматизма. В таком случае линия спуска жидкости прерывается инъекцией свежей порции горячей недифференцированной магмы. Это может вызвать чрезмерную фракционную кристаллизацию из-за трех основных эффектов:
Смешение магмы — это процесс, при котором две магмы встречаются, сливаются и образуют магму по составу где-то между двумя магмами конечных членов.
Смешение магмы является распространенным процессом в вулканических магматических камерах, которые представляют собой камеры открытой системы, где магма поступает в камеру, [10] подвергается той или иной форме ассимиляции, фракционной кристаллизации и частичной экстракции расплава (посредством извержения лавы) и пополняется.
Смешение магмы также имеет тенденцию происходить на более глубоких уровнях земной коры и считается одним из основных механизмов формирования промежуточных пород, таких как монцонит и андезит . Здесь из-за теплопередачи и увеличения потока летучих веществ в результате субдукции кислая кора плавится, образуя кислую магму (по существу гранитного состава). Эти гранитные расплавы известны как нижняя плита . Базальтовые первичные расплавы, образовавшиеся в мантии под корой, поднимаются и смешиваются с магмами под плитой, в результате чего они занимают промежуточное положение между базальтом и риолитом ; буквально «промежуточная» композиция.
Конвекция в большом магматическом очаге зависит от взаимодействия сил, создаваемых тепловой конвекцией, и сопротивления, оказываемого трением, вязкостью и сопротивлением магмы, оказываемым стенками магматического очага. Часто вблизи границ конвекционного магматического очага более холодные и более вязкие слои формируются концентрически снаружи внутрь, что определяется разрывами вязкости и температуры. При этом образуется ламинарный поток , разделяющий несколько областей магматического очага, которые могут начать дифференцироваться по отдельности.
Полосообразность течения является результатом процесса фракционной кристаллизации, который происходит за счет конвекции, если кристаллы, попавшие в края полосок течения, удаляются из расплава. Трение и вязкость магмы приводят к тому, что вкрапленники и ксенолиты внутри магмы или лавы замедляются вблизи границы раздела и попадают в вязкий слой. Это может изменить состав расплава в крупных интрузиях , что приведет к дифференциации.
Что касается приведенных выше определений, магматическая камера будет иметь тенденцию охлаждаться и кристаллизовать минералы в соответствии с линией спуска жидкости. Когда это происходит, особенно в сочетании с зональностью и накоплением кристаллов, и часть расплава удаляется, это может изменить состав магматического очага. По сути, это фракционная кристаллизация, за исключением того, что в этом случае мы наблюдаем магматическую камеру, которая представляет собой остаток, из которого был извлечен дочерний расплав.
Если такая магматическая камера продолжает охлаждаться, образуемые ею минералы и ее общий состав не будут соответствовать линии спуска жидкости образца или составу исходной магмы.
Стоит еще раз подчеркнуть, что магматические очаги обычно не представляют собой статичные отдельные образования. Типичный магматический очаг формируется в результате серии инъекций расплава и магмы, и большинство из них также подвергаются той или иной форме частичной экстракции расплава.
Гранитные магмы обычно гораздо более вязкие, чем основные магмы, и обычно более однородны по составу. Обычно считается, что это вызвано вязкостью магмы, которая на порядки выше, чем у основной магмы. Более высокая вязкость означает, что при плавлении гранитная магма будет иметь тенденцию перемещаться в более крупную согласованную массу и внедряться как более крупная масса, поскольку она менее жидкая и способна двигаться. Вот почему граниты обычно встречаются в виде крупных плутонов , а основные породы - в виде даек и силлов .
Граниты более холодные и поэтому менее способны плавить и ассимилировать вмещающие породы. Таким образом, массовое загрязнение является незначительным и необычным, хотя известно, что смешение гранитных и базальтовых расплавов происходит в тех местах, где базальт инжектируется в гранитные магматические очаги.
Мафические магмы более склонны к течению и, следовательно, с большей вероятностью подвергаются периодическому пополнению магматического очага. Поскольку они более жидкие, осаждение кристаллов происходит гораздо быстрее, что приводит к большим изменениям в результате фракционной кристаллизации. Более высокие температуры также позволяют основной магме легче ассимилировать вмещающие породы, и, следовательно, загрязнение более распространено и лучше развито.
Все магматические магмы содержат растворенные газы ( вода , углекислота , сероводород , хлор, фтор, борная кислота и др.). Из них вода является основной, и раньше считалось, что она просачивалась вниз от поверхности Земли к нагретым скалам внизу, но теперь общепризнано, что она является неотъемлемой частью магмы. Многие особенности строения глубинных пород по сравнению с лавами вполне можно объяснить действием этих газов, которые не смогли выйти наружу по мере медленного остывания глубинных масс и быстро отдавались поверхностными излияниями. . Кислые плутонические или интрузивные породы никогда не воспроизводились лабораторными экспериментами, и единственными успешными попытками получить их минералы искусственно были те, в которых специально предусматривалось удержание «минерализующих» газов в применяемых тиглях или герметичных трубках. Эти газы часто не входят в состав породообразующих минералов, так как большинство из них не содержит воды, угольной кислоты и т. д. Следовательно, по мере кристаллизации остаточный расплав должен содержать все большую долю летучих компонентов. Можно предположить, что на последних стадиях еще некристаллизованная часть магмы больше напоминает раствор минерального вещества в перегретом паре, чем сухое магматическое расплавление. Кварц , например, является последним минералом, образующимся в граните. Он несет в себе большую часть отпечатка кварца, который, как мы знаем, отложился из водных растворов в жилах и т. д. В то же время это наиболее тугоплавкий из всех распространенных минералов горных пород. Его позднее образование показывает, что в данном случае он возник при сравнительно низких температурах, и ясно указывает на особое значение газов магмы, 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, разрушающими минералы горных пород, которые они пересекают, и примеры их действия обнаруживаются при 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 представляют собой конечные фазы вулканической последовательности. [6]
Существует несколько методов прямого измерения и количественной оценки процессов магматической дифференциации;
Во всех случаях основным и наиболее ценным методом выявления процессов дифференциации магмы является картирование обнаженных пород, отслеживание минералогических изменений внутри магматических пород и описание взаимосвязей полей и текстурных свидетельств дифференциации магмы. Клинопироксеновую термобарометрию можно использовать для определения давления и температуры дифференциации магмы.
