Ефективність фракціювання та контамінація розплавів як фактори магматичної еволюції. Їх геохімічне значення

Магматическая дифференциация (фракционирование) Рассмотрим три типа фракционной кристаллизации: равно­весную кристаллизацию, релеевское фракционирование и крис­таллизацию (in situ). 1. Равновесная кристаллизация. Процесс равновесной крис­таллизации обеспечивает полное равновесие между всеми твер­дыми фазами и расплавом в течение кристаллизации

2. Релеевское фракционирование. Данный процесс описыва­ется согласно закону Релея. Релеевское фракционирование пред­ставляет собой крайний случай извлечения кристаллов из распла­ва сразу после их образования. В процессе фракционной кристаллизации содержания несов­местимых элементов в кристаллизующемся твердом веществе уменьшаются, а совместимых — увеличиваются относительно со­держаний элементов в родоначальном источнике и, соответствен­но, в расплаве увеличиваются содержания несовместимых эле­ментов и уменьшаются совместимых относительно источника.

3. Кристаллизация in situ. В настоящее время считается, что кристаллизация в пределах магматической камеры имеет место на стенах камеры и фракционная кристаллизация здесь является in situ процессом, при котором остаточный расплав отделяется от кристаллической " каши" в зоне солидификации на границе маг­матической камеры и возвращается в камеру.

В случае, когда/= 1, мы имеем фракционную кристаллиза­цию, при более низких значениях /увеличение содержаний не­совместимых элементов и уменьшение содержаний совместимых Элементов в расплаве при кристаллизации in situ оказывается не значительным, как при релеевском фракционировании.

Вариации содержания элементов при фракционной кри­сталлизации. Общие тренды. Большинство находящихся в магме элементов не образуют своих собственных минералов вследствие низкой концентрации, однако они входят в различ­ной степени и в относительно малых количествах в породообра­зующие минералы. Многие элементы обогащают жидкую фазу по сравнению с кристаллической, и по одной только этой причи­ не их концентрации обнаруживают сильные межэлементные корреляции. Вообще-то отнюдь не наблюдается сильных корре­ ляций между всеми элементами одной и той же группы перио­дической системы, хотя отдельные пары элементов ассоцииру­ются очень тесно (например, Al—Ga, Zr—Ш). Как показано в следующей главе, распределение элементов определяется их ионными радиусами, а они сильно меняются в любой группе периодической системы. Таким образом, простой схемы поведе­ния всех элементов не существует, однако для многих рассеян­ных и малых элементов изверженных пород, испытавших пере­распределение в кристаллизационных процессах, можно пред­ложить нижеследующую грубую классификацию (детальное рассмотрение различий между содержаниями главных элемен­тов в обычных типах горных пород можно найти в большинстве учебников по петрологии изверженных пород):

а) многие из переходных элементов, от Se до Си, обогащают мафические или базитовые фракции, имея заметные или сильные межэлементные корреляции;

б) многие из элементов с атомными номерами больше 39 (Y), за исключением платиноидов, при фракционной кри­сталлизации базитовых магм накапливаются в жидкой фазе;

в) при возникновении в магме самостоятельной сульфидной фазы с ней ассоциируются Cu, Fe, Ni, Со, Ag, Аи, Se, Те, In, ТІ и Re;

г) любая несмешивающаяся водная фаза имеет тенденцию к обогащению Na, К, Са, M, g, CI, S (в виде сульфатов), Li, В, Р, С (в виде карбонатов и бикарбонатов), Zn и W.

Вопрос о накоплении элементов в пегматитах и вулканиче­ских эманациях будет кратко рассмотрен в следующих разделах. Эти четыре категории являются результатом довольно широко­го обобщения, поэтому в любой серии горных пород несомненно могут быть встречены отдельные исключения. Тем не менее они представляют полезные предварительные ориентиры для пони­мания закономерностей распределения элементов. Более под­робно эти закономерности рассмотрены в следующих разделах.

Пегматиты. Пегматиты, представляющие собой продук­ты последней стадии фракционной кристаллизации магмы или первой стадии фракционного плавления при анатексисе, содер­жат многие элементы в концентрациях, намного превышающих содержания этих элементов в коре. Многие из элементов, имею­щих тенденцию к накоплению в магме при фракционной кри­сталлизации, в конце концов выделяются в виде необычных и сложных по составу минералов или минеральных ассоциации,

Пегматиты богаты кремнеземом, щелочами, глиноземом, водой и т. д. По сравнению с корой они в целом значительно обогащены следующими элементами: Li, Be, В, F, Se, Ga, Ge, Rb, Y, Zr, Nb, Mo, In, Sn, Cs, р.з.э., Hf, Ta, W, Re, Pb, Bi, Til и U. Нужно заметить, однако, что степень накопления ряда эле­ментов существенно зависит от того, какие породы являлись для пегматитов материнскими. Так, например, гранитные пегмати­ты заметно беднее Zr (и Hf), чем пегматиты нефелиновых сиени­тов, в особенности агпаитовых. По всей вероятности, это явля­ется результатом ранней кристаллизации циркона из гранитных магм (по сравнению с сиенитовыми магмами), что препятствует существенному накоплению Zr (и Нf) в остаточных магмах.

Контаминация (от лат. contaminatio - загрязнение в результате соприкосновения, смешение), процесс переработки магмой горных пород осадочного, метаморфического и магматического происхождения. В результате взаимодействия магмы с вмещающими породами происходит частичное растворение последних и образование гибридных пород, имеющих иной петрографический состав по сравнению с исходной магмой. Первоначально термин «Контаминация (в геологии)» был введён английским учёным Г. Ридом (1923), который рассматривал Контаминация (в геологии) как процесс загрязнения магмы осадочными и метаморфическими породами. Контаминация (в геологии) наиболее ярко проявляется при взаимодействии магмы с породами контрастного по отношению к ней состава (например, гранитной магмы с известняками или ультраосновными породами). Контаминация (в геологии) происходит на различных глубинах земной коры. В отличие от процесса ассимиляции, включения постороннего материала при Контаминация (в геологии) сохраняют реликты структуры первичных пород; иногда сохраняются также границы включений, позволяющие судить о их первичной форме.

Контаминация мантийных магм веществом континентальной коры - один из общепризнан­ных механизмов формирования магматических пород промежуточного состава. Особенно час­то этот механизм привлекается для объяснения пород среднего и умеренно кремнекислого со­става в островных дугах и активных континентальных окраинах, а также значительных объемов гранитоидов во внутриконтинентальных орогенных поясах [1-5]. Признание важной роли этого процесса нашло свое отражение в серии петрогенетических моделей [6 и др.]. При этом a priory предполагается, что контаминация расплавов веществом континентальной коры происходит в форме механического смешения. Именно этот процесс моделируется алгоритмами, заложенны­ми в большинстве пакетов для обработки геохимических и изотопных данных (Newpet, Minpet, Igpet, Magma и др.).

В ходе полевых исследований были установлены многочисленные свидетельства актив­ного взаимодействия магматических пород с гранат-силлиманитовыми гнейсами рамы. Харак­тер этих взаимодействий принципиально различен для пород разного состава. Так в контакте с габброидами гнейсы испытывают практически полное плавление и превращаются в серые мел­козернистые породы с магматической структурой и массивной текстурой. Мощность зоны плав­ления на контактах достигает 0, 5 м. С удалением от них наблюдается постепенный переход через теневые мигматиты к мигматизированным гнейсам. Крайне важно отметить, что какого-либо механического смешения вещества габброидов и расплавленных гнейсов не наблюдается. Даже в случае перемещения (вследствие тектонических деформаций, или конвекции в магматической камере) - палингенные выплавки образуют в габброидах округлые или удлиненные лейкократо- вые включения без видимых признаков механического смешения. Вероятнее всего, подобная несмесимость объясняется различиями реологических характеристик (в первую очередь - вяз­кости) расплавов.

В то же время в зоне контакта контрастных расплавов наблюдается реакционное взаимо­действие, фиксируемое в габброидах по появлению биотита, редко - кварца и калиевого полево­го шпата, а в переплавленных гнейсах - по широкому развитию амфибола, изменению цвета био­тита (с красно-коричневого на оливово-зеленый), отсутствию граната и силикатов глинозема.

3. Типи літогенезу, його фізико-хімічні фактори (температура, тиск, окисно-відновні умови тощо) та геохімічні риси.

Советский геолог Н.М. Страхов впервые (1956) выделил основные типы литогенеза: ледовый, гумидный, аридныий и вулканогенно-осадочный, существовавшие, по-видимому, начиная с послерифейского времени. При ледовом литогенезе процессы осадкообразования происходят на участках материков, покрытых льдом; Л. протекает в форме механического породообразования с невыраженной дифференциацией вещества. Гумидный литогенез типичен для породообразования на суше и в морях в условиях влажного климата. При аридном литогенезе породообразование происходит на материках и в морях в условиях засушливого климата. Вулканогенно-осадочный литогенез характеризуется породообразованием на участках с наземным и подводным вулканизмом и на прилежащих к ним территориях. Первые три типа литогенеза обусловлены климатом, и поэтому они распространены на поверхности Земли зонально, причём наиболее чётко они выражены на платформах. Вулканогенно-осадочный литогенез не зависит от климата и проявляется интразонально, главным образом вгеосинклинальных областях, т. е. на площадях, наиболее тектонически активных. Каждый тип литогенеза обладает характерным сочетанием осадочных пород, выражающих специфический ход механической и химической осадочной дифференциации, а также биогенных процессов и вулканизма.

Г.Л.-геохимия литогенеза. Значение различных типов химических реакций в образовании осадочных рудных месторождений не одинаково на разных стадиях литогенеза. При формировании месторождений кор выветривания (бокситы, железные и никелевые руды) ведущая роль принадлежит реакциям окисления и гидролиза; в образовании месторождений солей — реакциям осаждения (кристаллизации) из истинных растворов (см. Галогенез); в образовании месторождений фосфоритов, самородной серы, железных, марганцевых и урановых руд — химико-биологическим процессам, сопровождаемым реакциями восстановления и диффузионного перераспределения веществ в поровых растворах.

Осадочное породо- и рудообразование и типы обусловливавших их химических реакций в значительной степени предопределялись физико-географическими условиями, существовавшими на земной поверхности в тот или иной период геологического времени, режимом тектонических движений в пределах данного региона, интенсивностью вулканической деятельности и многими др. факторами.

Г. л. использует геохимические индикаторы при реконструкции фациальных и климатических условий седиментации, в частности солёности вод древних бассейнов, их газового режима, глубины и температуры. Ими являются соотношения химически близких пар элементов и изотопные отношения кислорода, серы, углерода и др. Особое внимание уделяется изучению геохимии органического вещества, которое является не только источником горючих газов и нефтей, но и фактором, определяющим процессы восстановления и миграции поливалентных элементов, образования подвижных элементо-органических соединений и комплексов.

Формирование осадочных горных пород — сложный природный процесс, происходящий в различных условиях, которые определяются разнообразными факторами и силами земной и космической природы. Среди них ведущую роль играют тектонические процессы. Огромное влияние на осадкообразование оказывают климат, рельеф, жизнедеятельность животных и растительных организмов, но все эти факторы в значительной степени регламентируются тектоникой. Кроме того, на образование осадочных пород накладывают отпечаток газовый состав атмосферы, солевой состав и минерализация вод гидросферы, рН среды, интенсивность и формы проявления вулканической деятельности, состав пород в областях питания и некоторые другие.

Тектонические колебательные движения способствуют трансгрессии и регрессии морских водоемов и, следовательно, перемещение береговых линий. Это отражается на составе и строении отлагающихся осадков. В общем случае регрессия сопровождается укрупнением размера обломочных частиц, трансгрессия ведет к накоплению более тонкозернистых осадков. В ряде случаев в результате регрессии могут образоваться обширные мелководные водоемы, имеющие ограниченную связь с открытым морем. В условиях жаркого засушливого климата соленость вод таких бассейнов существенно возрастает, что может вызвать осаждение различных солей.

Вследствие тектонических движений изменяются положение областей сноса осадочного материала на континентах, рельеф поверхности, скорость течения рек и временных потоков, что сказывается на минеральном составе и размере обломочного материала. Тектонические колебательные движения являются одной из основных причин слоистого строения осадочных толщ и периодичности осадконакопления, что выражается в неоднократной повторяемости в геологическом разрезе слоев пород одинакового или близкого литологического состава. В зависимости от амплитуды и продолжительности колебательных движений, чередующиеся слои могут иметь различную мощность — от долей сантиметра до нескольких метров, а слагаемые ими литологические комплексы достигать нескольких сотен метров.

Тектонический режим в значительной мере определяет скорость накопления осадочного материала. Установлено, что в геосинклиналях она выше, чем на платформах. По данным В.Е.Хаина (1956 г.) и А. Б. Ронова (1958 г.), средняя скорость накопления осадков в этих областях соответственно составляла 30 - 320 и 3— 13 мм за 1000 лет. Подмечено также, что скорость накопления осадков на равнинах ниже, чем в предгорьях, а в центральных частях океанических бассейнов — ниже, чем в прибрежных областях. Максимальные мощности и скорости накопления осадков характерны для областей компенсированного прогибания.

Большое влияние на формирование осадочных пород оказывают тектонические движения и магматизм, благодаря которым в процесс образования осадочного материала вовлекаются крупные массивы глубинных магматических и метаморфических пород.

Наконец, тектонический режим в значительной мере определяет размер и форму осадочных тел. В платформенных условиях, при региональном продолжительном погружении обычно образуются мощные геологические тела более или менее изометричной формы. В геосинклинальных прогибах — осадочные тела при значительной протяженности (сотни и тысячи километров) имеют небольшую ширину (десятки километров). С колебательными тектоническими движениями связано образование карбонатных органогенных построек рифового типа.

Существенную роль в формировании осадочных пород играет рельеф поверхности суши и дна водоемов. В горных районах может образовываться и перемещаться крупный обломочный материал — от первых миллиметров до нескольких метров. В равнинных областях обычно формируется мелкий обломочный материал, составляющий доли миллиметра. При скорости течения равнинных рек до 0, 3—0, 5 м/с может переноситься песок, алеврит, пелитовые частицы. Горные реки, скорость течения которых достигает 8—10 м/с, способны переносить валуны и даже глыбы. По мере выполаживания рельефа скорость течения континентальных водных потоков и их транспортирующие возможности убывают. В связи с этим в районах с сильно пересеченным рельефом накапливаются более крупнозернистые осадки, чем в пенепленизированных.

В морских условиях рельеф дна бассейна в значительной мере определяет характер распределения осадка. Пониженные элементы рельефа благоприятны для его накопления, а приподнятые нередко подвергаются размыву, при этом в первую очередь уносятся наиболее мелкие частицы, и вследствие этого происходит относительное обогащение осадка крупными частицами. При крутом уклоне дна (более 20—30°) осадочный обломочный материал, не задерживаясь в прибрежной зоне, скатывается на глубину и отлагается на уступах или в зоне выполаживания рельефа дна.

Климат также оказывает большое влияние на формирование осадочных пород. Сам он определяется многими причинами и факторами, среди которых ведущую роль играют интенсивность солнечной радиации, положение участков поверхности Земли относительно Солнца, прозрачность и состав атмосферы, гипсометрия суши, соотношение площадей суши и моря, интенсивность теплового потока Земли и т. д. Все эти факторы в значительной мере определяются тектоническими причинами. Учитывая важную роль климата на разных этапах образования осадочных пород, Н.М.Страхов (1960) выделил три климатических типа литогенеза: ледовый (низальный), гумидный, аридный и четвертый — аклиматический, вулканогенно-осадочный.

Ледовый тип литогенеза характеризуется тем, что основная часть осадочного материала «... поставляется в первую очередь механическим (морозным) выветриванием скал, не покрытых льдом (или снегом); сам ледник, медленно передвигаясь, отрывает от ложа выступающие участки и уносит обломки с собой». Перенос осадочного материала, осуществляется, таким образом, в основном ледниками и в незначительной степени водой подледниковых ручьев. В области осадконакопления отлагается совершенно неотсортированный по размеру материал, из которого затем формируются породы моренного типа. В современную эпоху ледовый тип литогенеза развит на континентальных массивах высоких широт (Гренландия, Антарктида и др.) и в горных районах, выше снеговой линии.

Гумидный тип литогенеза характеризуется тем, что осадочный материал образуется не только в результате механического выветривания, но и за счет химического разложения и жизнедеятельности организмов. Поскольку гумидный тип литогенеза осуществляется в различных климатических обстановках (тропической, субтропической, умеренной и даже холодной), то осадки в каждом конкретном случае имеют свои специфические особенности, влияющие на облик образующихся из них пород.

В условиях тропического и субтропического климатов при равнинном рельефе интенсивно протекает химическое выветривание пород, в холодном климате этот процесс сильно тормозится, но при наличии резко расчлененного рельефа могут интенсивно развиться процессы механического выветривания. В итоге в область осадконакопления поступает обломочный материал, органические остатки, растворенные компоненты и коллоиды, которые, при изменении геохимической и термобарической обстановок, а также вследствие биохимической активности организмов могут перейти в осадок. Многообразие обстановок в областях гумидного литогенеза предопределяет наличие здесь широкого комплекса осадочных пород — песчаных, алевритовых, глинистых, карбонатных, бокситов, диатомитов, углей и др. Аридный тип литогенеза развивается в обстановке пониженной влажности и повышенной температуры. Он характерен для континентов (пустыни, полупустыни, сухие степи), но может быть развит и во внутриконтинентальных озерных и морских бассейнах (Каспийское, Красное моря и др.). Осадочный материал в областях аридного литогенеза образуется главным образом за счет механического выветривания выходящих на поверхность пород, в результате химического осаждения солей, а также вследствие жизнедеятельности организмов, роль которых существенно понижается при увеличении солености вод бассейнов. Часть осадочного материала поступает из располагающихся по соседству областей гумидного климата вместе с мощными временными потоками, ручьями и реками. В самих областях аридного климата перенос осадочного материала в значительной части осуществляется ветром. Для данного типа литогенеза характерны следующие породы: эоловые пески и песчаники, глинисто-алевритовые образования, известняки, доломиты, гипсы, ангидриты, каменная соль и некоторые другие.

Аклиматический (вулканогенно-осадочный) тип литогенеза не связан с климатом. Он присущ областям вулканической активности, которые располагаются в различных климатических зонах. В этом случае осадочный материал в значительной мере поставляется вулканами в виде вулканического пепла, вулканических бомб. Кроме того, продуктами вулканизма являются газы и сильно минерализованные горячие воды. Кроме вулканогенного материала при этом типе литогенеза, в формировании осадочных пород участвуют терригенные, хемогенные и органогенные компоненты. При наземной вулканической деятельности образуются породы, состоящие преимущественно из вулканического пепла, мелкозернистого обломочного и глинистого материала (туффиты, туфогенные породы). Подводный вулканизм способствует образованию вулканогенно-кремнистых, вулканогенно-известняковых и других пород.

В современную эпоху преобладает гумидный тип литогенеза, который господствует уже в течение длительного времени. На ранних этапах геологической истории Земли основная роль принадлежала вулканогенно-осадочному типу литогенеза. Жизнедеятельность организмов, как уже отмечалось, существенным образом отражается на осадочном породообразовании. Многие водные организмы строят свои скелеты, заимствуя химические соединения из воды морских бассейнов, причем они способны усваивать даже те вещества, которые не находятся в состоянии насыщенности (кремнезем, фосфаты и др.). После отмирания организмов их минеральные скелеты поступают в осадок и нередко образуют скопления большой мощности.

В осадках водоемов гумидных областей содержание органического вещества выше, чем в осадках аридных; в глинистых илах — больше, чем в песках и алевритах. Органическое вещество осадка в значительной мере определяет окислительно-восстановительную обстановку. Разложение органического вещества способствует изменению газового режима, щелочно-кислотных свойств среды, что в свою очередь отражается на состоянии осадка. В результате жизнедеятельности некоторых организмов формируются рифовые карбонатные постройки, образуются такие специфические породы, как каменные угли, фосфориты, диатомиты и др.