Механизмы и законы дифференциации магмы

Магматизм – это процесс развивающийся в глубоких слоях земной коры и верхней мантии Земли, протекающий при высоких температурах и давлениях. Сведения об этих процессах до сих пор довольно скудные и вопрос о происхождении их пока остается гипотетическим. Одни ученые считают основным источником энергии эндогенных процессов гравитационную энергию, другие – космическую, третьи – ротационную (вращение Земли вокруг своей оси), четвертые – радиогенную, образующуюся при распаде тяжелых неустойчивых элементов Земли, которое носит название магмы.

Магма представляет собой трехкомпонентную систему, состоящую из жидкости, газа и твердых кристаллов. Различают первичные и вторичные магмы. Первичные возникают на разных глубинах земной коры и верхней мантии и имеют однородный состав. Продвигаясь к поверхности Земли магма изменяет свой состав, превращаясь во вторичную. Нижняя часть магмы приобретает ультраосновной состав, более высокая – базальтовый, а самая верхняя часть – кислый, вплоть до гранитного.

Химический состав магмы: SiO2, FeO, CaO, MgO, Na2O, K2O (до 97%). Летучие компоненты: CO2, H2, H2O, F2, B и др.

Кристаллизация магмы происходит в определенном интервале температур – от 1000  до 16000 С.

Характерный магматический процесс включает три стадии:

1) генерацию магмы;

2) сегрегацию, движение и накопление магмы;

3) кристаллизацию магмы.

При изучении магматических пород исследователи имеют дело уже с интегральным продуктом трех стадий МП, и изучая этот продукт, пытаются реконструировать весь процесс или отдельные его стадии. Наиболее информативными для такой реконструкции являются редкие элементы.

Поведение элементов в магматическом процессе определяется их физическими, химическими и кристаллохимическими свойствами.

Главные или петрогенные элементы слагают основные породообразующие минералы (O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K). Элементы-примеси или редкие элементы рассеяны в породообразующих минералах или образуют собственные акцессорные фазы.

Поведение петрогенных элементов в магматическом процессе определяется областями устойчивости и порядком кристаллизации (или плавления) основных минеральных фаз, которые в свою очередь зависят от состава магмы, давления и температуры.

Поведение породообразующих минералов в магматическом процессе рассматривается физико-химической петрологией, но эти сведения являются основой для понимания поведения элементов-примесей, поэтому напомним основные закономерности.

Первой наиболее универсальной закономерностью является последовательность кристаллизации минералов из расплава, известная под названием рядов Боуэна, включающих непрерывный реакционный ряд плагиоклазов и прерывистый ряд темноцветных минералов (оливин – пироксен – амфибол – биотит). Эти ряды указывают на последовательное накопление в расплаве при кристаллизации Si и щелочей и обеднение его фемическими компонентами и Ca.

Отражением рядов Боуэна является все многообразие изверженных пород от ультрабазитов через базальты (габбро) к диоритам (андезитам) и гранитоидам (дацитам-риолитам). Степень продвижения по ряду Боуэна зависит от удаления из магматических пород ранее закристаллизованных минералов, то есть фракционирования твердых фаз.