Многокомпонентные системы и фракционная кристаллизация базальта

Эти соотношения напоминают частично испарение рассола, рассмотренное в гл. 8. Несмотря на осложнения, многое в поведении этих смесей можно правильно понять, принимая такую систему за настоящую бинарную. В других местах участки кривых, где отклонение в поведении системы наиболее сильно отличается от бинарной, показаны пунктирными линиями. Сплошными же линиями отражены области, где реальное поведение системы можно рассматривать, прибегая к гипотетической бинарной системе.

Особенно заметно проявляется эффект своеобразного поведения кальция, система диоксид — альбит похожа по общей форме на систему кварц — альбит. При охлаждении жидкости, обогащенной диопсидом, из нее кристаллизуется один диопсид, пока состав расплава не достигнет точки D. С этого момента начинается одновременная кристаллизация диопсида и плагиоклаза вплоть до полного исчезновения жидкости.

На последних стадиях кристаллизации в связи с отмеченными выше отклонениями от идеальной бинарной системы должна происходить кристаллизация небольшого количества кварца, однако до сих пор этот факт не удалось показать экспериментально. Система диопсид — анортит также несколько отклоняется от бинарной, тем не менее в пределах широкой области составов по своему поведению она еще более, чем система диопсид — альбит, напоминает систему кварц — альбит. В этом случае из жидкости, обогащенной диопсидом, в качестве первой твердой фазы кристаллизуется пироксен, близкий к диопсиду по составу. Таким образом, можно предположить, что первой твердой фазой, кристаллизующейся из обогащенных диопсидовым компонентом жидкостей, содержащих как альбитовый, так и анортитовый компоненты, должен быть именно пироксен диопсидового состава.

Рассмотрим жидкость, в которой изначально альбитовый и анортитовый компоненты находятся в равных количествах. После начала кристаллизации жидкость должна быть относительно обогащена как альбитом, так и анортитом, но оба эти компонента должны оставаться в эквивалентных количествах. Изменение состава такой жидкости отражено стрелкой Е. В конечном счете будет достигнута точка, когда совместно с диопсидом начнет кристаллизоваться плагиоклаз. Каков же должен быть состав плагиоклаза в этом случае? Показано, что из жидкости, содержащей равное количество альбита и анортита при полном отсутствии диопсида, будут выделяться кристаллы, близкие по составу. В присутствии диопсида в расплаве первые кристаллы плагиоклаза несколько другого состава, но остаются в пределах интервала состава битовнита.

Если из жидкости, первоначально содержавшей равное количество анортита и альбита, будет выделяться битовнит, остаточный расплав должен обогащаться альбитом. Таким образом, состав жидкости изменяется, допустим, от дионсид + плагиоклаз до состава диопсид + плагиоклаз. В то же время жидкость относительно обедняется дионсидом. На диаграмме ее состав удаляется от анортитового конца и от плоскости диопсида; в разговорной речи для таких случаев бытует выражение, что жидкость «смещается вниз по желобу». Поведение жидкости ниже точки F имеет близкий к эвтектическому характер, причем происходит одновременная кристаллизация двух минералов. Однако в отличие от эвтектического поведения в данном случае продолжается изменение состава жидкости с одновременным падением температуры. Движение вниз по желобу от точки F называется котектической кристаллизацией диопсида и плагиоклаза непрерывно изменяющегося состава.
В геологических условиях в состав диопсидового твердого раствора, помимо упомянутого выше компонента NaAlSi206, могут входить и другие компоненты, например CaFeSi2Oe. В пределах большей части интервала составов от 100% Mg до 100% Fe этот пироксеновый твердый раствор подобен плагиоклазовому твердому раствору. Правда, в железистом конце серии при высоких температурах образуются кристаллы особой структуры типа волластонита, в связи с чем линии солидуса и ликвидуса не продолжаются в эту область составов. Таким образом, если в расплаве имеется достаточное количество как Mg. так и Fe, то при кристаллизации пироксена сначала образуются обогащенные магнием члены, а затем — более железистые пироксепы. Однако этот эффект не изменяет уже рассмотренных особенностей кристаллизации в системе, он лишь налагается на них. Таким образом, в результате последовательной кристаллизации происходит закономерное сочетание кристаллизации пироксенов и плагиоклазов последовательно изменяющегося состава.

Введем в систему еще один компонент в виде небольшого избытка кремнезема в исходной жидкости. Как и в системах диопсид — кварц, анортит — кварц и альбит — кварц, избыточное содержание кремнезема в жидкости в конечном счете приведет к появлению кристаллического кварца. Наконец введем в систему еще один компонент — воду. В этом случае, как и в системе кварц — вода, в конце кристаллизации начнется отделение водного флюида наряду с одновременно продолжающейся кристаллизацией уже известных нам для этой системы силикатов. С введением дополнительных компонентов в систему изменяется одно значение температуры. при котором сосуществуют три фазы к целому интервалу температур сосуществования трех фаз по котектической линии от точки F.
В естественных горных породах эта последовательность может, конечно, несколько меняться. Прежде всего нужно отметить, что совместно с магнезиальным пироксеном или вместо него иногда кристаллизуется оливин. В присутствии воды при низких температурах вместо низкоплавкого пироксена могут возникать роговая обманка или биотит. В случае присутствия альбита вероятно также появление калиевого полевого шпата. Таким образом, на стадии 1 образуются кристаллы, в результате осаждения которых под действием гравитационных сил могут формироваться перидотитовые слои в лополитах основных пород. На стадии 2 образуются пироксеново- лабрадоровые породы типа базальтов и габбро, постепенно переходящие на стадии 3 в андезиты и диориты. На стадии 4 образуются кварцевые монцониты, в которых вместо пироксена кристаллизуются роговая обманка или биотит. В породах последнего типа присутствует уже незначительное количество Fe, Mg и Са. вошедших в продукты кристаллизации ранних стадий. В связи с этим темноцветные минералы становятся редкими, а полевой шпат приобретает щелочной характер. На стадии 5 магматическое тело оказывает наиболее сильное влияние на окружающую среду. В этот момент массив еще горячий и из него во вмещающие породы гораздо легче, чем вязкий силикатный расплав, проникают водные флюиды, обладающие высокой химической, физической и каталитической активностью. Эти флюиды несут растворенные вещества, способствуют диффузии материала и обычно играют решающую роль в образовании промышленных месторождений полезных ископаемых. На стадии 6 растворяющая способность водных флюидов сильно уменьшается. Они еще могут обусловить превращение оливина в серпентин, а полевого шпата в серицит или отложить в трещинах вмещающих пород кварцевые жилы. Но в целом эти растворы знаменуют окончание активной жизни магматического тела.

Если однажды возникшая хорошо изолированная вмещающими породами магматическая масса последовательно проходит все перечисленные стадии, то все продукты, образующиеся на этих стадиях эволюции, будут аккумулироваться в магматической камере, за исключением тех компонентов, которые были вынесены с растворами во вмещающую среду. В этом случае конечная твердая порода по составу останется близкой к исходной жидкости. Если в процессе охлаждения магма будет перемещаться, возникает возможность образования на разных уровнях различных горных пород. Необходимым условием для этого служит отделение, по крайней мере частичное, кристаллов, образующихся первыми, от окружающего флюида. Такая сепарация может осуществляться вследствие различий плотности или вязкости обогащенных и обедненных кристаллами частей магмы.

В целом рассмотренный процесс носит название фракционной кристаллизации базальта. Процесс этот гипотетический, и никому не удалось его наблюдать полностью хотя бы в пределах отдельных крупных массивов. При помощи этой гипотезы достаточно хорошо объясняются многие наблюдаемые факты, хотя некоторые соотношения и но удается интерпретировать с этой точки зрения. Необходимо подчеркнуть, что рассмотренный выше порядок событий может быть и иным. На последовательность кристаллизации может влиять состав магмы, который даже для базальта несколько варьирует, а также и различия давления.

Сейчас уместно напомнить, что под базальтовой магмой просто понимают расплав, в котором элементы присутствуют в тех же количествах, как и в базальтах. В результате кристаллизации базальтовой магмы могут возникать не только базальты, но и другие породы, прежде всего габбро, в том числе роговообманковое, а также эклогиты, в составе которых преобладают натровый пироксен и гранат Если кристаллизация начнется по какой-либо из серий, обведенных рамкой, то в конечном счете, очевидно, возникнут базальт или пироксеновое габбро и какой-либо из рядов горных пород. Однако в том случае, если кристаллизация начнется с амфибола (колонка 4) остаточный расплав может обогатиться плагиоклазом, в связи с чем в конечном счете не исключено образование пород типа анортозита. Еще более своеобразные остаточные расплавы должны возникать, если кристаллизация пойдет в эклогитовом направлении (колонка 5). Таким образом, когда мы говорим о фракционной кристаллизации базальтов, мы подразумеваем лишь кристаллизацию, описанную в колонках 1—3, тогда как представление о фракционной кристаллизации базальтовой магмы шире и может идти в направлении колонок 4 и 5.

Даже в пределах поля, ограниченного рамкой, в колонках 1—3 наблюдаются довольно заметные различия в последовательности кристаллизации. Прежде всего в ряде оливин — оливин пироксен существует два варианта. В первом из них количество оливина продолжает увеличиваться после начала кристаллизации пироксена, во втором пироксен в процессе кристаллизации замещает частично или полностью ранее образовавшийся оливин. Существует также два возможных соотношения пироксена и амфибола на поздних стадиях кристаллизации. Эти минералы могут или кристаллизоваться одновременно, или амфибол частично кристаллизуется непосредственно из магмы, а частично за счет ранее выделившегося пироксена. Резорбция оливина устанавливается при лабораторных исследованиях, но редко наблюдается при петрографических наблюдениях природных пород. Замещение пироксена амфиболом труднее воспроизвести экспериментально в лаборатории, поскольку в этом случае необходимо высокое давление паров воды. В шлифах естественных пород очень часто наблюдается развитие амфибола за счет пироксена. Конечно, в последнем случае лишь изредка удается показать, что в этой реакции участвовал магматический расплав. Таким образом, количественная роль этой реакции в процессе первичной кристаллизации остается довольно неопределенной. В связи с тем что упомянутые реакции оказывают большое влияние на направление кристаллизации, они дополнительно рассматриваются в приложении 4. Разнообразие горных пород, помимо различных путей начальной кристаллизации, определяется также возможностью различной дальнейшей эволюции магмы с возникновением тех или иных серий горных пород. Детальные исследования поликомпонентных систем показывают, что для возникновения серий пород с высоким или низким щелочно-известковым показателем или даже для возникновения серии щелочных пород типа 2 необходимы лишь небольшие изменения состава исходной магмы. Таким образом, теория фракционной кристаллизации представляет собой очень гибкий инструмент для объяснения разнообразия горных пород.

Это классический пример последовательной интерпретации полевых наблюдений методом сопоставления горных пород с полифазными химическими системами. Помимо того, что этой теорией хорошо объясняется известное разнообразие горных пород, в ее пользу свидетельствуют следующие три положения:
1) Известно, что существовали огромные количества базальтовой магмы, которые неоднократно в различных участках земного шара и в различные геологические периоды изливались в виде гигантских базальтовых покровов. Наоборот, совершенно пе известны сколько-нибудь крупные латитовые покровы, в связи с чем любая концепция, подразумевающая крупные скопления латитовой магмы в земной коре, достаточно шатка.
2) Из принципа весов следует, что при расщеплении системы на отдельные фазы те из них, которые сильнее отличаются от валового состава системы, образуются в меньшем количестве. Если мы используем «главный ряд» горных пород в качестве условного коромысла весов, для объяснения соотношения основных и кислых пород можно отметить следующее. При застывании базальтовой магмы должно образоваться значительно большее количество основных пород, близких по составу к исходной магме, чем пород гранитного или риолитового типа, состав которых значительно отличается от состава исходной магмы. На океанских островах установлены именно такие количественные соотношения пород с незначительным количеством риолитов при резком преобладании базальтов. Аналогичные соотношения установлены также в массиве Дулут и других лополитах, в которых наряду с резко преобладающими габбро присутствуют незначительные количества гранитоидов. Наконец, эти же соотношения найдены и в особенно крупных силлах, например региона Карру в Южной Африке.
3) В магматических породах некоторых районов проявляются характерные повышенные содержания некоторых акцессорных минералов, например апатита. Присутствие таких минералов во всех изверженных породах района от основных до кислых позволяет предполагать, что они возникли в результате дифференциации из единого магматического очага, хотя сам по себе этот факт не дает возможности прямо судить о механизме дифференциации. К числу таких характерных особенностей состава относятся также повышенные или пониженные содержания натрия или калия, которые часто позволяют различать друг от друга серии горных пород, особенно если содержания элементов выражены относительно кальция или кремния в щелочно-известковом показателе.

Одновременно в применении гипотезы фракционной кристаллизации базальтовой магмы для последовательности кристаллизации существуют три ограничения:
1) Если в базальтовой магме при давлении более 2 кбар присутствует два весовых процента воды, кристаллизация ее должна осуществляться скорее по типу колонки 4, а не колонок 1, 2 или 3.
2) При давлении свыше 18 кбар, а возможно лишь свыше 10 кбар, сухая базальтовая магма должна кристаллизоваться скорее по типу колонки 5, а не по типу колонок 1, 2, 3.
3) Все положения данного раздела непригодны для рассмотрения кристаллизации гранитной магмы, образующейся, вероятно, в результате переплавления континентальных пород. В связи с последним пунктом приведенных выше ограничений рассмотрим в следующем разделе фракционное плавление осадков.