Геохимия магматизма. Лекция 8

(исландиты) и небольшие объемы дацитов и риолитов. Содержание SiO2 в большин-стве случаев находится в пределах 48-63% (модальное среднее содержание SiO2 – 53%). В основной массе присутствуют авгит и пижонит. Характерен тренд обогащения железом.
Известково-щелочная (ИNa, K-Na) серия включает большие объемы андезитов, даци-тов и риолитов при подчиненной роли базальтов и андезибазальтов. Содержание SiO2 колеблется от 52 до 70% (среднее модальное содержание SiO2 – 59%). В основной массе присутствует ортопироксен, пижонита нет. Отсутствует обогащение железом.
Субщелочная калиево-натриевая (СK-Na) серия объединяют субщелочные оливиновые базальты, гавайиты, муджериты, трахиты, трахиандезиты, трахидациты и трахирио-литы. С ростом содержания в породах SiO2 наблюдается увеличение их железистости. Аналогичная тенденция устанавливается и для клинопироксенов в ряду основные – средние – кислые породы.
Субщелочная калиевая (СК) серия, петрографическим эквивалентом которых являются шошонитовые серии, образованы породами от абсарокитов и шошонитов до латитов и калиевых риолитов. Все они, как и породы известково-щелочной серии, характеризу-ются отсутствием тренда обогащенности клинопироксенов и пород в целом железом.
Щелочная (ЩK-Na, K) серия, содержащие фельдшпатоиды (нефелин, лейцит), а также щелочные темноцветные минералы и др., отличаются от субщелочных серий более высокими содержаниями щелочей и в среднем более низкими содержаниями кремнезема (обычно 44-47% SiO2). Породы щелочных серий очень разнообразны.

среднего химического состава магматического вещества земной коры в целом, этого классического объекта геохимиков, и требует разработки системы оценок среднего состава магматических пород в зависимости от их геодинамической позиции. В качестве первого приближения можно предложить оценки на основании данных о распространенности главных типов магматических пород в различных геотектонических зонах земной коры, полученных А. Б. Роновым (Ронов, 1985; см. также Ронов и др., 1990; Ярошевский, 1997). Эти количественные оценки, конечно, полностью подтверждают давно ясную всем геологам геологическую дихотомию магматического вещества земной коры - резкое преобладание основных магматических пород в составе эффузивной компоненты и настолько же резкое преобладание гранитоидного вещества в составе интрузивной компоненты континентов (на геологически независимую позицию основного вулканизма и кислого интрузивного магматизма ссылался, например, Ф. Ю. Левинсон-Лессинг (Левинсон-Лессин, 1934), критикуя идею Дэли-Боуэна о единой первичной базальтовой магме).

в гранитно-метаморфической оболочке континентов (Ронов, Ярошевский, Мигдисов, 1990)

пород земной коры (Ярошевский, 1997)

эффузивных сериях: конкретных ассоциациях магматических пород, объединяемых по признакам их единства в геологическом пространстве-времени в состав формаций, подчинено строгим закономерностям. Эти закономерности наиболее отчетливо проявляются в системе корреляций между содержаниями в породах различных химических элементов (параметров внепространственной геохимической структуры магматических объектов). Такие соотношения, непротиворечиво интерпретируемые на основании экспериментальных данных как результат дифференциации первичных магматических расплавов, позволяют обосновать идею не только о геологической связи пород дифференцированных комплексов и эффузивных серий, но и о генетической их связи, и ввести представления о дифференцированных сериях, эволюция состава которых подчинена законам некоторого механизма фракционирования. Дополнительную информацию о закономерностях распределения химических элементов в дифференцированных сериях дают параметры пространственной геохимической структуры интрузивных магматических комплексов, геологическая позиция и обнаженность которых позволяет обосновать последовательность формирования пород, входящих в состав таких комплексов.

дифференцированных сериях (параметры геохимической структуры соответствующих магматических комплексов) не зависят от геодинамической позиции таких комплексов, т. е. являются инвариантными по отношению к геологическим условиям формирования магматических пород. Этот эмпирический факт показывает, что законы поведения химических элементов в магматических процессах, являясь по своему существу законами физико-химическими, более фундаментальны, чем законы геологии; геологическое разнообразие магматических пород отражает лишь варианты реализации действия одних и тех же физико-химических законов, одних и тех же принципов поведения химических элементов. Очевидность этой ситуации и успехи в разработке физико-химических моделей поведения химических элементов в магматических процессах и предопределили глубокое внедрение геохимических принципов и критериев в современную петрологию и геодинамику; появилось широкое и огромное по научной и прикладной значимости поле эксплуатации геохимии в различных областях геологии.

геологической позиции позволяет в известном смысле вернуться к классической проблеме геохимии - анализу общих закономерностей распределения элементов во всей системе магматических пород (Гольдшмидт, Виноградов и др.), Эти закономерности уже давно явились основанием сгруппировать химические элементы в соответствии с их особенностями распределения в магматических породах.
Во-первых, выделяется основная группа элементов, в состав которой входят самые распространенные элементы (Si, Al, Mg, Fe, Ca, Na, K); их количественные соотношения, собственно, лежат в основе петрохимической систематики магматических пород, а взаимные корреляции (обычно положительные для Si с Na и K и отрицательные для Si с Mg и Fe, но положительные для Si с отношением Fe / Mg) определяют закономерности эволюции дифференцированных серий и коррелируют с температурами кристаллизации.
Во-вторых, выделяется большая группа преимущественно литофильных элементов, распадающаяся на ряд подгрупп: 1) Li, Rb, Cs, Be, Ba, Y, TR, Th, U, Zr, Hf, Nb, Ta, а также Ga, Tl, Ge, Sn, Pb, Bi, W, F; 2) Sc, Cr, Mn, а также Co, Ni, Zn; 3) Sr, Ti, P, V, распределение содержаний и отношений содержаний которых по-разному, но для всех устойчиво коррелирует с распределением главных элементов; это совершенно определенно указывает на то, что поведение и главных, и этих второстепенных элементов обусловлено проявлением единого механизма. Закономерности распределения содержаний в магматических породах элементов первой и второй групп полностью соответствуют законам их поведения в ходе фракционной кристаллизации систем породообразующих силикатов, что является доказательством определяющей роли кристаллизационной дифференциации как механизма магматической эволюции.
.

халькофильных и сидерофильных элементов (Cu, Ag, Au, Cd, Hg, In, As, Sb, S, Se, Te, Mo, Re, элементов группы Pt), содержание которых в магматических породах в общей системе вообще не коррелирует с главными элементами (за исключением элементов группы Pt, повышенным содержанием которых отличаются ультаосновные породы); лишь в отдельных дифференцированных сериях иногда наблюдаются разные варианты локальной корреляции, например Cu и Fe, платиноидов с Cr и т. п. Для этих элементов характерны свои связи - между собой и, что наиболее важно, с S, в особенности в тех объектах, в которых наблюдается сульфидная минерализация. Очевидно, что поведение этих элементов в ходе магматического процесса, подчиняясь общим законам эволюции, локально контролируется поведением сульфидной компоненты магматических систем.
Наконец, такие элементы, как H, B, C, N, Cl, Br, I, а также He, Ne, Ar, Kr, Xe образуют отдельную группу; их распределение в системе магматических пород также обычно не коррелировано с содержаниями главных элементов и, очевидно, отражает проявление дополнительного механизма - их перераспределения в составе газовой фазы, возможность которого обусловлена летучестью их соединений

и физико-химическими законами поведения элементов в различного типа возможных (разрешенных законами физики и химии) механизмах перераспределения и дифференциации многокомпонентных систем позволяют в настоящее время сделать определенный выбор в пользу наиболее реалистичного в природной обстановке механизма дифференциации:
все предполагаемые механизмы дифференциации в гомогенных (расплавных) системах - гравитационная диффузия, термодиффузия, бародиффузия - не могут быть эффектив-ными в геологических масштабах времени и пространства из-за исключительно низкой скорости диффузионного массопереноса; поэтому геологическое значение могут иметь только механизмы дифференциации в гетерогенных системах;
модели жидкостного расслоения (ликвации) магматических расплавов остаются до сих пор ни экспериментально, ни теоретически не разработанными; не известно ни одной публикации, в которой была бы предпринята попытка конкретно сопоставить закономерности геохимической структуры магматических комплексов с ожидаемым распределением химических элементов в соответствии с (неизвестными пока) законами ликвации; поэтому доказательств геологической реалистичности механизма жидкост-ного расщепления нет, а практически давно ясное полное согласие этих эмпирических закономерностей с законами поведения химических элементов в ходе кристаллизацион-ной дифференциации делает идею ликвации в приложении к проблемам магматизма бесперспективной; исключением является, конечно, сульфидно-силикатная ликвация, которая хорошо изучена экспериментально и закономерности которой согласуются с природной картиной распределения халькофильных и сидерофильных элементов;

камеры газовой фазы или обмена газовой фазой магматической камеры и вмещающей рамы a priori можно считать незначительным по трем причинам: ограниченное содержание летучих компонентов, малая плотность газовой фазы и малая растворимость породообразующих компонентов в геохимически допустимых флюидных фазах не может обеспечить плотностей потоков массопереноса, которые могли бы объяснить наблюдаемые масштабы разделения элементов в ходе магматической эволюции; идея о том, что магматические системы могут обмениваться с массами флюидов, многократно превышающими массы самих магматических систем, не имеет ни эмпирических геологических, ни физических доказательств;
согласующимся со всем комплексом геохимических данных является механизм кристаллизационной дифференциации; это утверждение опирается на разработанные и экспериментально исследованные модели кристаллизационной дифференциации, в рамках которых со времен Боуэна и Гольдшмидта качественно, а в настоящее время количественно удается воспроизвести практически все закономерности распределения химических элементов как в конкретных дифференцированных комплексах (за исключением ритмической расслоенности интрузивных комплексов ультраосновных, основных и щелочных пород), так и в системе магматических пород земной коры в целом.

двух реакционных рядов: 

1. прерывистого ряда фемических минералов: оливин -> ромбический пироксен -> моноклинный пироксен -> амфибол -> биотит; 
2. непрерывного ряда салических минералов: основной плагиоклаз -> средний плагиоклаз -> кислый плагиоклаз -> калиевый полевой шпат.
Совместная кристаллизация минералов двух рядов протекает с образованием эвтектики и в этом случае последовательность выделения зависит от состава расплава. Предложенные Боуэном реакционные ряды кристаллизации минералов могут нарушаться в зависимости от состава расплава, от температуры, давления и других условий.

и эволюции магматических систем и интерпретация на этой основе указанных эмпирических закономерностей базируются на следующих физических и физико-химических принципах:
зарождение магматической системы (формирование первичных расплавов) в рамках стандартной модели тепловой истории Земли (с первоначально равномерно рас-пределенными источниками тепла) начинается в результате пересечения геотермы с кривой зависимости температуры солидуса (начала плавления) вещества; реализуются два крайних варианта: 1) пересечение геотермы с кривой безводного солидуса базальтов, что возможно на глубинах, соответствующих низам верхней мантии и глубже, 2) пересечение геотермы с кривой водонасыщенного солидуса основных и кислых магматических и соответствующих им метаморфических пород в пределах нижних горизонтов континентальной коры и в верхней мантии; как показывают геологические данные (дискретность магматизма в геологическом пространстве-времени), такое пересечение вероятнее всего реализуется или при подъеме восходящих струй (диапиров) в условиях движения вещества в мантии, или при погружения водонасыщенных блоков пород земной коры; роль локальных источников тепла (трение движущихся относительно друг друга блоков пород, локальное концентрирование специфического теплоносителя, например флюдного потока) количественно не обоснована; если они и действуют, то только как дополнительные, не способные объяснить глобальный характер магматизма на Земле и планетах земной группы;
развитие плавления, разделение остаточных твердых фаз и расплава и концентрирование последнего в самостоятельные массы, способные к интрузии или излиянию на поверхность, осуществляются за счет нестабильности гетерогенной системы (расплав-твердые фазы) в гравитационном поле и <эффекта зонного плавления>, совместное проявление которых в пределах магмогенерирующей системы ведет к подплавлению гетерогенной смеси в потоках, движущихся вверх, и кристаллизации в потоках, движущихся вниз; по-видимому, пространственное разделение остаточных твердых фаз и расплава может начаться при незначительной доли жидкой фазы с момента формирования в области плавления системы связанных пор, заполненных расплавом;

формирующиеся магмы представляют собой динамическую систему, состав которой непрерывно эволюционирует; эту эволюцию, протекающую по законам частичного плавления, можно считать фиксированной в условный момент физического отделения расплава от остаточных фаз, и соответствующий расплав можно было бы называть первичным для последующей дифференцированной серии, но надо иметь в виду, что перегретых расплавов в природе практически не бывает, внедряющиеся магмы или изливающиеся на поверхность лавы почти всегда содержат интрателлурические фазы, реакция с которыми в ходе адиабатического подъема продолжает изменять состав расплава; эта ситуация, а также вариации содержаний химических элементов в веществе, вовлекаемом в плавление, являются основанием предполагать множественность составов первичных расплавов, но существование ограниченного числа геодинамически различных магматических формаций и корреляция составов первичных магм с геодинамической позицией предполагает существование определенных закономерностей вариаций условий магмогенерации, ограничивающих и, возможно, дискретизирующих допустимое с общих позиций такое разнообразие интрузивных комплексов и вулканических серий;
основной механизм перераспределения и разделения химических элементов в объеме магматической камеры или питающего вулканического очага - перемещение в гравитационном поле твердых и жидких фаз разной плотности; факторами, количественно определяющими масштабы дифференциации и пространственное строение расслоенных комплексов, являются: содержание интрателлурической твердой фазы, относительные скорости перемещения твердых фаз и сульфидной жидкости в конвектирующем расплаве и фундаментальные физико-химические параметры, индивидуальные для каждого элемента в каждой фазе, коэффициенты распределения между твердыми фазами и расплавом в зависимости от состава расплава и температуры; такой механизм кристаллизационной дифференциации имеет все свойства фракционной кристаллизации, но количественно при его описание рэлеевское уравнение не применимо из-за невыполнения одного из его ограничений - объем твердой фазы, находящейся в равновесии со всем объемом расплава на каждой стадии затвердевания не является бесконечно малым, а составляет конечную, обычно существенную часть уже выделившихся кристаллов;

и остальным объемом застойного или конвектирующего расплава не способны количественно объяснить наблюдаемые масштабы дифференциации и строение расслоенных магматических комплексов;
эффективная ассимиляция вмещающих пород и смешение вещества различной предшествующей, в частности изотопной истории, требуют разработки соответствующей модели массопереноса в магматической камере, ведущего к эффективной гомогенизации; в настоящее время не известно ни одной публикации в этой области, а опыт изучения обстановки формирования магматических комплексов в рамках модели затвердевания рождает определенный скепсис относительно возможности реализации так называемых AF-моделей; это означает, что большое число изотопных данных в области магматических пород остается пока не интерпретируемыми на основе физически реалистичных принципов;
возникновение локальных рудных концентраций ряда элементов в дифференцированных магматических комплексах (Cr и элементы группы Pt в ультраосновных породах, Cu-Ni-сульфидные руды в основных и ультраосновных породах, Fe-Ti-V-руды в дифференцированных комплексах основных пород и анортозитов, месторождение P в Хибинском массиве, редкометальные месторождения в кислых или щелочных магматических породах) подчинено общим закономерностям поведения элементов в ходе магматической эволюции; основным условием формирования таких локальных концентраций является появление на ликвидусе эволюционирующего магматичекого расплава собственных (рудных) фаз элементов (принцип котектической насыщенности, сформулированный Л.Н.Когарко).