Магматические горные породы

1. Введение.

Магма – это вещество Земли в расплавленном жидком состоянии. Она образуется в Земной коре и верхней мантии в интервалах глубин 30–400 км. По составу – это  силикатный расплав + атомы растворенных металлов и растворенные газы. Из магматического очага магма движется к поверхности  Земли. При этом ее внутреннее давление и температура понижаются, начинается процесс кристаллизации и переход  из жидкого в твердое состояние. Образуются магматические горные породы. Это общая схема магматического процесса.

Интрузивные процессы связаны  с образованием и движением магмы  ниже поверхности Земли. Образовавшиеся в глубинах Земли магматические  расплавы имеют более низкую, чем  у окружающих твёрдых пород плотность  и, обладая подвижностью, внедряются в вышележащие горизонты. Процесс  внедрения магмы называют интрузией (от «intrusio» - внедрение). Внедряясь во вмещающие породы и застывая, магматический расплав образует согласные и несогласные  (секущие)  интрузии.  Взаимодействие интрузий с вмещающими породами выражается в дегидратации и перекристаллизации последних под действием тепла,  а также коренном изменении состава под действием горячих газов  (пневматолитовые процессы)  или растворов (гидротермальные процессы).  По отношению к вмещающим породам интрузивы разделяются на согласные (конкордантные) и несогласные (дискордантные). Первые залегают согласно с вмещающими породами, не пересекая границ их слоёв; вторые имеют секущие контакты. По форме выделяют ряд разновидностей интрузивных тел. Магматические горные породы слагают большую часть океанической и континентальной коры,  играют главную роль в эволюционном развитии и приращении континентальной коры на океанических окраинах,  являются исходным материалом для образования осадочных и метаморфических пород. С магматическими породами связаны месторождения никеля, кобальта,  меди,  железа,  хрома,  платиноидов,  редкоземельных элементов,  строительных и облицовочных материалов.

2. Дифференциация магмы.

Кристаллизационная дифференциация – обусловлена различием в  температуре кристаллизации породообразующих минералов. Это явление обосновано английским ученым Н. Боуэном, ( Рис.) который сгруппировал породообразующие минералы в две серии. В первой (прерывной) помещены темноцветные минералы оливин, пироксены (ромбический и моноклинный), роговая обманка и биотит; а во второй (непрерывной) сери и – полевые шпаты: плагиоклазы (от основных к кислым) и калиевый полевой шпат. В каждой серии последовательность кристаллизации минералов связана с понижением температуры магматического расплава, которая убывает от оливина к биотиту. Из схемы реакционной серии Боуэна (плакат) видно как последовательная совместная кристаллизация влияет на разделение магматических пород по химическому и минеральному составу, а также позволяет судить об основных минеральных ассоциациях породообразующих минералов.

Рис. Реакционный ряд последовательности выпадения минералов из расплава (ряд Боуэна).

Дифференциация расплава по плотности называется ликвация. Этот процесс приводит к расслоению единого расплава на части отличающиеся по плотности: в нижней части как  более плотные (или тяжелые) формируются  породы ультраосновного и основного  состава. Часто они сопровождаются ликвацией сульфидно-оксидной массы  от силикатной. Так образуются ликвационные месторождения Cu-Ni руд. Выше этой части формируются породы среднего состава, а в верхней части – кислого. Яркий пример такого формирования – Бушвельдский интрузивный массив в ЮАР. При движении магмы от магматического очага к месту кристаллизации часто происходит захват и переплавление магмой встречаемых ею пород. Это явление называется ассимиляцией, и оно тоже может стать причиной дифференциации магмы. При снижении температуры и кристаллизации магмы от нее отделяются растворенные в расплаве минерализованные газы (флюиды) и растворы, которые определяют постмагматические процессы, среди которых кратко рассмотрим:

Пегматитовый – отделение остаточного расплава и газов-минерализаторов. Их кристаллизация происходит после остывания и кристаллизации основной части магмы на периферии интрузивного тела или даже за его пределами. В результате образуется своеобразная горная порода, в которой породообразующие минералы достигают больших размеров, часто образуют хорошо ограненные кристаллы и друзы кристаллов.

 Пневматолитовый процесс-воздействие отделившихся от магмы газов (пневма) на окружающие породы. В результате этого воздействия происходит образование новых минералов, в том числе рудных. Так образуются месторождения вольфрамита и касситерита в породах при воздействии на них термальных газов гранитной интрузии.

 Гидротермальный процесс  – отделение минерализованных  газов и растворов от остывающего  интрузивного тела и перемещение  их по трещинам в окружающие  породы. При этом происходит снижение  давления и температуры гидротермальных  растворов и отложение из них  минералов по трещинам с образованием  жил. Гидротермальные жилы могут  формироваться на разном удалении  от интрузивного тела, как вблизи  контакта, так и на несколько  км от него. Минеральный состав  жил очень разнообразен и при  достаточной концентрации в них  полезных компонентов они рассматриваются  как месторождения полезных ископаемых  на золото, серебро, ртуть, олово  и др. Образующиеся при остывании магмы интрузивные тела разделяются по глубинам образования и по форме.

3. Интрузивный магматизм

Первичные магмы, образуясь  на разных глубинах, имеют тенденцию скапливаться в большие массы, которые продвигаются в верхние горизонты земной коры, где литостатическое давление меньше. При определенных геологических и, в первую очередь, тектонических условиях магма не достигает поверхности Земли и застывает (кристаллизуется) на различной глубине, образуя тела разной формы и размера - интрузивы. Любое интрузивное тело, будучи окруженное вмещающими породами или рамой, взаимодействуя с ними, обладает двумя контактовыми зонами. Влияние высокотемпературной, богатой флюидами магмы на окружающие интрузивное тело породы приводит к их изменениям, выражающимся по-разному - от слабого уплотнения и дегидратации до полной перикристаллизации и замещения первичных пород. Такая зона шириной от первых сантиметров до десятков километров, называется зоной экзоконтакта, т.е. внешним контактом (рис.1).

Рис. 1. Характер контактов  в интрузивном массиве гранитов: 1 – собственно интрузивный массив гранитов, 2 – вмещающие породы, 3 – зона экзоконтакта (изменение вмещающих пород), 4 – зона эндоконтакта (изменение гранитов), 5 – провесы кровли

С другой стороны, сама внедряющаяся магма, особенно краевые части магматического тела, взаимодействуя с вмещающими породами и быстрее охлаждаясь, частично ассимилируют породы рамы, в результате чего изменяются состав магмы, ее структура и текстура. Такая зона измененных магматических пород в краевой части интрузива называется зоной эндоконтакта, т.е. внутренней зоной. В зависимости от глубины формирования интрузивные массивы подразделяются на приповерхностные или субвулканические (последнее слово означает, что магма почти подошла к поверхности, но все таки не вышла на нее,т.е. образовался “почти вулкан” или субвулкан) -от первых сотен метров до 1,0-1,5 км; среднеглубинные или гипабиссальные , - до 1- 3,0 км и глубинные, или абиссальные ,- глубже 3,0 км. Подобное разделение не очень строгое, но в целом достаточно отчетливое. Глубинные породы, застывавшие медленно, обладают полнокристаллической структурой, а приповерхностные, в которых падение температуры было быстрым,- порфировой, очень похожей на структуру вулканических пород. 

По отношению к вмещающим  породам интрузивы подразделяются на конкордантные или согласные и дискордантные – несогласные (рис.2).

Рис. 2. Формы интрузивных  тел: 1 – дайки, 2 – штоки, 3 батолит, 4 – гарполит, 5 –многоярусные силлы, 6 –лополит, 7 – лакколит, 8 –магматический диапир, 9 –факолит, 10 – бисмалит

Согласные интрузивы обладают разнообразной формой. Наиболее широко среди них распространены силлы или пластовые тела, особенно в платформенных областях, где отложения залегают почти горизонтально. Базальтовые силлы, широко развиты по краям обширной впадины - Тунгусской синеклизы на Сибирской платформе, где они образуют многоэтажные системы плоских линзовидных интрузивных тел, соединенных тонкими подводящими каналами. Мощность силлов колеблется от первых десятков см до сотен метров. На Сибирской платформе они образуют т.н. трапповую формацию (трап - лестница, шведск.).

Силлы часто дифференцированы, и тогда в их подошве скапливаются более тяжелые минералы, образовавшиеся раньше более легких. Поэтому и состав пород силла на разных уровнях становится различным - более основным в низу и более кислым - в верху. Для того, чтобы магма внедрялась в слои, наподобие ножа в листы книги, необходимы условия тектонического растяжения, как это происходило в Тунгусской синеклизе по ее краям (рис.3). За счет внедрения в слоистую толщу множества силлов, увеличение ее мощности может достигать сотен метров и даже первых км. При этом слои вмещающих пород не деформируются, а лишь перемещаются по вертикали, как бы «разбухая».

Лополлит (лопос - чаша, греч.) - чашеобразный согласный интрузив, залегающий в синклинальных структурах и также как и силл, образующийся в условиях тектонического растяжения, когда магма легко заполняет ослабленные зоны, не деформируя сильно вмещающие слои.. Размеры лополитов в диаметре могут достигать десятков километров, а мощность - многих сотен метров. Крупнейшие дифференцированные лополиты - Бушвельдский в Южной Африке, площадью в 144 000 км2 и Сёдбери в Канаде. Чашеобразная форма лополитов связана еще и с явлением проседания субстрата, под весом внедрившейся магмы.

Рис. 3. Образование силлов: 1 – при растяжении пластов между ними образуются ослабленные зоны, куда и нагнетается магма, 2 – образование силлов на краю синеклиз при опускании последней и растяжении пластов

Лакколиты в классическом виде представляют грибообразные тела, что свидетельствует о сильном гидростатическом давлении магмы, превышающем литостатическое в момент ее внедрения. Магма приподнимает вышележащие слои, «накачиваясь» в межслоевое пространство. Обычно лакколиты относятся к малоглубинным интрузивам, т.к. «приподнять» мощную толщу пород даже для большой порции магмы затруднительно.

Идеальные грибовидные лакколиты  встречаются не так уж и часто. Пожалуй, наиболее типичный пример - это лакколиты гор Генри в США. Многочисленные т.н. лакколиты в районе Минеральных Вод на Северном Кавказе или на Южном берегу Крыма, на самом деле представляют собой каплевидные массивы, напоминающие «редьку хвостом вниз». Только в верхней части таких «капель» - магматических диапиров, слои залегают согласно с кровлей интрузива, а далее вниз он их пересекает, т.е. становится несогласным по отношению к вмещающим породам.

Несогласные интрузивы пересекают, прорывают пласты вмещающих пород. К наиболее распространенным несогласным интрузивам относятся дайки (дайк, дейк - забор, шотл.), тела, длина которых во много раз превышает их мощность, а плоскости контактов практически параллельны (рис. 4). Дайки обладают длиной от десятков метров до многих сотен км, например, Великая дайка Родезии нижнепротерозойского возраста млн. лет имеет длину км, при ширине км. Естественно предположить, что образование даек связано с внедрением магмы по трещинам в условиях тектонического растяжения. Внедрение даек было хорошо изучено в Исландии, где их количество очень велико в связи с тем, что Исландия представляет собой приподнятую над поверхностью океана часть Срединно-Атлантического хребта, осевая рифтовая зона которого является дивергентной зоной, где происходит наращивание океанского дна, его спрединг. Вертикальные дайки ориентированы перпендикулярно оси минимальных сжимающих напряжений.

Рис. 4.Дайка

Иными словами, они ориентированы  по простиранию рифтовой зоны. Многократное внедрение даек приводит к увеличению ширины зоны на суммарную мощность даек. Магма, внедряясь снизу в толщу пород, действует на них как гидравлический клин, раздвигая породы в стороны, причем распирающие напряжения быстро уменьшаются к вершине клина, как показал М.Г.Ломизе. Следует отметить, что на глубинах более 3 км возникновение зияющих трещин, вследствие большого литостатического давления затруднено и поэтому только гидроразрыв способен обеспечить внедрение даек (рис.5)

Рис. 5. Действие магморазрыва при внедрении дайки: 1 – малая вязкость магмы, 2 – большая вязкость магмы. Давление магмы превышает минимальное сжимающее напряжение всего в 1,2 раза. Чем вязкость магмы больше, тем дайка толще

Дайки могут быть одиночными либо группироваться в кольцевые или радиальные рои параллельных даек. Радиальные и кольцевые дайки часто приурочены к интрузивным телам и вулканам, когда сказывается распирающее давление магмы на вмещающие породы и последние растрескиваются с образованием кольцевых и радиальных трещин.

Кольцевые дайки могут  быть не только вертикальными, но и коническими, как бы сходящимися к магматическому резервуару на глубине. Комплексы параллельных даек развиты в современных срединно-океанских хребтах, в зонах спрединга, т.е. там, где активно происходит тектоническое растяжение земной коры. От даек следует отличать магматические жилы, имеющие неправильную, ветвистую форму и гораздо меньшие размер. Широким распространением пользуются штоки (schtoch - палка, нем.) - столбообразные интрузивы изометричной формы с крутыми контактами, площадью менее 100-150 км2. Существуют и другие менее распространенные формы интрузивных тел. Факолит (факос.- чечевица, греч.) - линзовидные тела, располагающиеся в сводах антиклинальных складок, согласно с вмещающими породами. Гарполит (гарпос - серп, греч.) - серпообразный интрузив, по существу, разновидность факолита. Хонолит – интрузив неправильной формы, образовавшийся в наиболее ослабленной зоне вмещающих пород, как бы заполняющий «пустоты» в толще. Бисмалит - грибообразный интрузив, похожий на лакколит, но осложненный цилиндрическим горстообразным поднятием, как бы штампом в центральной части. Все эти интрузивы, как правило, малоглубинные и развиты в складчатых областях.