2.9. Магматизм

К числу эндогенных процессов относятся магматизм, метаморфизм и тектонические, в том числе и сейсмические, движения.

Магматизмом называют явления, связанные с образованием в недрах Земли, перемещением к ее поверхности жидких силикатных расплавов –магмы. Вещество Земли на больших глубинах в силу господствующих там высоких давлений, несмотря на температуру 1300 - 1500°С и более (температуры плавления самых тугоплавких горных пород на поверхности Земли составляют 1100 - 1350°С), находится в твердом состоянии. При нарушении физико-химического равновесия – в первую очередь в зонах глубинных разломов – в сторону снижения давления устремляются легкоподвижные продукты (газы, растворы) внутрипланетарной дифференциации вещества Земли. На уровнях глубин с температурами, равными или превышающими температуры плавления, эти газы и растворы могут привести к расплавлению вещества.

Таким образом, образованию магмы способствуют движения земной коры, сопровождающиеся развитием глубинных разломов, и потоки тепла и растворов, которые поднимаются по этим разломам к поверхности Земли.

Сформировавшийся на глубине магматический расплав оказывается менее плотным и, соответственно, более легким, чем окружающие его горные породы. Поэтому, при любой возможности, он начинает постепенно мигрировать вверх, в сторону земной поверхности. В конечном счете любая магма застывает – либо на лубине, либо уже на поверхности Земли. Результатом этого процесса является формирование магматических горных пород, слагающих в земной коре тема разнообразной морфологии.

Состав магм

Известные в природе магмы разнообразны по химическому составу, то есть по набору слагающих их химических элементов и их соотношению. Химизм магматических расплавов имеет большое значение. Разные по составу магмы образуются в различных условиях, по-разному ведут себя в дальнейшем, а при их кристаллизации образуются горные породы различного минерального состава. Известны следующие типы магматических расплавов (и соответствующих им типов магматических горных пород):

- силикатные, ведущими компонентами которых являются O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na и K; расплавы этого типа имеют подавляющее преобладание среди всех известных нам земных магм;

- сульфидные; ведущие компоненты – S и ионы различных металлов (Fe, Cu, Ni и др.); в результате их кристаллизации образуются горные породы, сложенные сульфидами названных металлов – халькопиритом и др. (их скопления могут формировать крупные рудные месторождения – например, Норильские);

- карбонатные; ведущие компоненты – O, C, Ca, нередко Fe; продукт их кристаллизации – магматические породы карбонатного состава (карбонатиты);

- фосфатные (O, P, Ca и др.); из них образуются породы существенно апатитового состава (примером их являются апатитовые месторождения Хибин);

- железистые (O, Fe); очень редкий тип расплавов, но их производными являются породы, сложенные преимущественно магнетитом – лучшей железной рудой.

Наиболее распространённые силикатные магмы (как и горные породы магматического происхождения) дополнительно подразделяются по кремнекислотности (содержанию SiO₂) и щёлочности (суммарному содержанию Na₂O иK₂O).

Существенную роль в составе многих магматических расплавов играют растворённые в них так называемые летучие компоненты – различные газы в надкритическом состоянии (флюидная фаза магм). Ведущую роль среди них обычно играет водяной пар, диссоциированный на ионы Н⁺ и ОН^-. Широким распространением пользуются также F, Cl, CO₂и другие компоненты. Наличие флюидной фазы снижает вязкость магматических расплавов, температуру их кристаллизации, влияет на процессы взаимодействия магмы с вмещающими породами, характер вулканических извержений и многие другие аспекты магматической деятельности, находит отражение в минеральном составе магматических пород.

Подразделения магматических процессов

Образовавшаяся магма по тем же ослабленным зонам (глубинным разломам) внедряется в земную кору, иногда достигая поверхности Земли и извергаясь на поверхность. Соответственно различают интрузивныйиэффузивный магматизм.

Интрузивный (глубинный) магматизм – процессы внедрения и перемещения магмы в пределах земной коры.

Эффузивный (поверхностный) магматизм – процессы, сопровождающиеся извержением, излиянием магмы (лавы) на поверхность Земли.

Интрузивный магматизм. Современное учение о магматических процессах предполагает существование в природе родоначальных первичных магм: 1) перидотитовая (ультраосновная); 2) базальтовая (габбровая); 3) гранитная (риолитовая); 4) андезитовая.

В недрах верхней мантии образуются перидотитовые и базальтовые магмы. Гранитные и андезитовые магмы являются продуктами плавления вещества земной коры (они отсутствуют в пределах океанических секторов земной коры).

Первичные магмы подвергается процессам дифференциации и ассимиляции, что приводит к образованию большого разнообразия по составу магматических горных пород.

Дифференциация– сложный физико-химический процесс разделения, расщепления магмы на различные по химическому составу фракции. Различают следующие виды дифференциации магматического расплава:

магматическая дифференциация (ликвация) – расслоение магмы на две различные по плотности несмешивающиеся жидкости, т.е. разделение магмы в жидкой фазе до появления первых кристаллов;

кристаллизационная дифференциация – разделение при остывании магмы с последующей кристаллизацией силикатов от наиболее тугоплавких и тяжелых (железо-магнезиальные силикаты и основные плагиоклазы) до легкоплавких (кислые плагиоклазы, калиевые полевые шпаты и кварц).

Рис. 2.55. Геологическая модель вариаций фазового состава магмы в воронковидной интрузивной камере

Ассимиляция– процесс образования смешанной магмы в результате усвоения и плавления постороннего материалы боковых (вмещающих) пород. Расплавляя и растворяя вмещающие породы, магма тем самым изменяет свой состав.

Рис. 2.56 Модель ассимиляции магматического расплава

Эффузивный магматизм (вулканизм). Образовавшаяся в недрах Земли магма при появлении разломов может подняться и излиться на поверхность. Такая магма, потерявшая при выходе на поверхность Земли часть газово-жидких компонентов, называетсялавой. Характер извержения определяется составом расплава, его температурой, давлением, концентрацией летучих компонентов и другими параметрами. Одной из самых важных причин извержений магмы является еедегазация. Именно газы, заключенные в расплаве, служат тем «движителем», который вызываетизвержение.

В вулканической деятельности четко различаются два этапа.

1 – этап активного вулканизма – сравнительно кратковременный этап, во время которого происходит энергичное формирование вулканического аппарата в результате выброса огромного количества шлаков и пепла, излияния лавы;

2 – этап поствулканических явлений– сравнительно спокойный и более длительный этап, характеризуется поступлением на поверхность Земли разнообразных летучих соединений, выделяющихся из излившейся лавы или из остывающего на глубине магматического очага.

По многочисленным трещинам в кратере и на склонах вулканического сооружения в течение длительного времени (десятки, сотни и даже тысячи лет) поднимаются газы и разнообразные по составу и температуре горячие воды, которые производят интенсивные поствулканические изменения окружающей среды.

Рис. 2.57 Кратер вулкана

Главной стадией любого вулканического процесса является вулканическое извержение– вынос на поверхность лавы и твердых продуктов вулканической деятельности. Механизм извержений бывает различным:

- эффузивныймеханизм заключается в спокойном излиянии достаточно жидкой лавы на поверхность;

- экструзивный– медленное «выдавливание» очень вязкого расплава из жерла вулкана;

- эксплозивный– извержение взрывного характера, в ходе которого «пробка» из застывающей или уже застывшей лавы выбрасывается давлением скопившихся под ней вулканических газов; иногда при эксплозивных извержениях возникают «палящие тучи» - выбросы раскаленных вулканических газов, насыщенных пепловыми частицами, которые потоками скатываются по склонам вулканов.

Механизм извержений зависит от состава магматических расплавов и содержания газовой фазы. Для лав основного состава характерна низкая вязкость, и они, как правило, изливаются на поверхность спокойно. Кислые лавы имеют наиболее высокую вязкость, и для их извержения более характерны экструзивный или эксплозивный механизмы. Переход экструзивного извержения в эксплозивное возможен в случае наличия достаточного количества скапливающихся вулканических газов.

Морфология вулканических аппаратов

Вулканические аппараты, возникающие в местах извержений, могут иметь различную форму и строение, что определяется механизмом извержений и условиями, в которых они происходят.

1. Вулканытрещинного типаформируются, как правило, в зонах растяжения земной коры. В результате растяжения возникают протяженные трещины, по которым непосредственно с большой глубины поступает сильно разогретая лава, обычно спокойно растекающаяся по сторонам.

2. Вулканы центрального типахарактеризуются наличием субцилиндрического канала, по которому продукты извержения выносятся на поверхность. Они подразделяются в свою очередь, на два типа: щитовые вулканы и стратовулканы.

Рис. 2.58 Морфология вулканических аппаратов

Щитовые вулканы – более редкий тип. Они возникают, если изливающаяся через канал лава всегда имеет очень низкую вязкость и спокойно растекается по обширной площади. В результате формируется широкая и измененная в плане вулканическая постройка.

Стратовулканы(«слоистые вулканы») формируются в результате чередования эффузивных т эксплозивных извержений. Продукты этих извержений накапливаются большей частью вблизижерла– выхода вулканического канала на поверхность. В результате наслоения друг на друга многочисленных лавовых потоков и слоев, сложенных продуктами эксплозивных извержений, вокруг жерла вырастает вулканическая гора конусовидной формы с воронкообразным углублением на вершине – кратером вулкана.

Продукты вулканической деятельности

Вулканизм определяется как комплекс процессов, связанных с поступлением продуктов магматической деятельности на поверхность и в атмосферу Земли. Продукты вулканической деятельности бывают жидкими, твердыми и газообразными.