Фракционное выплавление гранита из осадочных пород

Во введении отмечалось, что породы земной коры при благоприятных условиях могут расплавляться с образованием магмы гранитного состава. Каковы же продукты, возникающие в результате этого процесса? Поскольку граниты и кварцевые монцопиты состоят преимущественно из кварца, калиевого пшата и альбита или олигоклаза, мы опять имеем три пары минералов, поведение которых можно рассматривать точно таким же образом, как смеси диопсида и плагиоклаза. Системе кварц — альбит очень близка система кварц — калиевый полевой шпат; в последней проявляются некоторые сложности при давлениях, значительно меньших, чем в условиях, которые нам необходимо рассмотреть. Система альбит — калиевый полевой шпат при давлении несколько килобар. Линия ликвидуса здесь имеет заметную депрессию в середине, как и в системе кварц — альбит. Однако в данном случае наиболее низкая точка Е не означает такого резкого изменения в поведении системы. В то же время эта система похожа на плагиоклазовую с общей низкой точкой. Однако в данном случае эта низкая точка представляет собой не плавление идеально чистого химического соединения, альбита в плагиоклазовой системе, а фиксирует момент плавления калиевого полевого шпата и альбита.

Эта смесь наиболее легкоплавка во всем интервале давления, но при различных температурах и давлениях она отвечает разным количественным соотношениям компонентов. Последовательность кристаллизации жидкости состава Б данной диаграммы очень похожа на изменение характера жидкости А в плагиоклазовой системе. Состав кристаллизующегося твердого вещества изменяется от С в первый момент кристаллизации до составов, близких к области D в момент исчезновения жидкости. В данном случае нас не интересует, каким образом смешивается альбит и калиевый полевой шпат в твердых фазах: образуют ли они отдельные зерна, нертитовые сростки или гомогенные твердые растворы. Сейчас нас больше интересует, что за расплав образуется при нагревании зерен щелочных полевых шпатов. По этому поводу можно высказать два соображения:
1) Если в нагреваемом агрегате зерен щелочных полевых шпатов есть кристаллы, состав которых располагается как левее, так и правее точки Е, состав первых капель образующихся жидкостей будет отвечать точно Е.
2) Если состав всех нагреваемых зерен располагается по одну сторону от Е, например в пределах интервала С — D, первая возникающая жидкость по составу будет близка к Е, но не будет точно отвечать этой точке. Предположим: а) что состав зерен нагреваемого агрегата изменяется в пределах интервала С — D и в результате взаимной диффузии вещества весь агрегат приобрел в твердом состоянии состав, отвечающий точке В, а первая образующаяся жидкость будет иметь состав F; б) что в том же агрегате зерен не произошло взаимной диффузии вещества и усреднения состава, первая образующаяся жидкость возникнет за счет кристаллов состава D и будет иметь состав G. Все эти события происходят одним из двух путей в зависимости от скорости нагревания. Короче говоря, первая образующаяся жидкость всегда будет ближе к Е, чем валовой состав нагреваемого агрегата.

Рассмотрим теперь во взаимосвязи все три компонента. Эта фигура — комбинация трех двуминеральных систем. Трехкомпонентная жидкость здесь с наиболее низкой точкой плавления состоит из двойного количества полевых шпатов по сравнению с кварцем при равных количествах каждого из полевых шпатов, т. е. жидкость содержит в равных количествах все три компонента. Вспомним, что процесс плавления в системе кварц — альбит даже при содержании 85% кварца в твердом веществе начинается с возникновения жидкости с 60% альбита, что приблизительно и показано на диаграмме фиг. 8.6. Однако, если твердое вещество состоит из 70% кварца, 15% альбита и 15% калиевого полевого шпата, первая образующаяся за счет него жидкость будет состоять из V3 каждого присутствующего минерала. При нагревании этой твердой смеси обязательно будет возникать жидкость такого же состава до тех пор, пока будут присутствовать одновременно два полевых шпата, т. е. до того момента, когда от исходной смеси останется 55% твердого чистого кварца, а 45% превратятся в жидкость. Такой процесс по существу имеет обратный характер по отношению к фракционной кристаллизации и называется фракционным плавлением; он может приводить к возникновению жидкой фракции гранитного состава за счет смеси твердых веществ с весьма широким интервалом колебаний состава.

В природных условиях фракционное плавление может воспроизводить в обратном порядке последовательность фракционной кристаллизации. Так, если после образования первой жидкости температура продолжает повышаться. плавление минералов может происходить в последовательности, обратной последовательности кристаллизации. Реальный порядок фракционного плавления, конечно, в известной мере зависит от валового состава нагреваемой породы примерно в такой же мере, как это отмечалось в предыдущем разделе применительно к изменениям в последовательности кристаллизации. Теоретически базальт, хотя и с вариациями в соответствии с десятью способами кристаллизации, упомянутыми на стр. 75, должен превратиться в гомогенную магму. Однако осуществлению этого процесса в природе противоречат два факта: 1) очевидно, плавление осуществляется не столь полно, как кристаллизация, но крайней мере в пределах рассматриваемых уровней земной коры; 2) валовой состав среды, в которой происходит плавление, обычно не соответствует базальту.

Первое из высказанных предположений основывается на составе пород докембрийских щитов Канады, Северной Европы, Австралии и т. д. Породы и минералы, развитые здесь, очевидно, возникли в условиях погребения на глубину более 10 км, и, таким образом, мы их можем сопоставлять с предполагаемым веществом зоны плавления. Второе положение основано на общей тенденции дифференциации компонентов магматического происхождения в осадочном процессе. Если даже поверхность суши целиком была бы сложена одними гранитами или одними базальтами, все равно в результате ее размыва и сноса материала реками на пляжах отлагался бы кварцевый песок, в мелководных условиях шельфа в известняках концентрировался бы кальцит, а натрий и алюминии выносились бы в глубоководные осадки. Даже если признать, что мы слишком примитивно толкуем осадочный процесс, все-таки необходимо непременно полагать, что любой осадок обогащен каким-либо компонентом по сравнению с исходной магматической породой. Плавлению, вероятно, подвергаются именно осадочные породы. В связи с этим при переплавлении осадочных толщ с существенной ролью известняков должны возникать обогащенные кальцием расплавы, кварцево-песчаниковые серии соответственно должны обусловливать возникновение кислых расплавов, а глинистые — глиноземистых. Конечно, все эти вариации состава могут лишь отчасти изменять его преимущественно гранитный характер.
В процессе плавления очень важную роль играет поведение натрия и калия. При выветривании щелочные полевые шпаты переходят в водные силикаты алюминия и пллит с потерей большей части щелочей из кристаллической решетки. Однако если мы будем изучать под микроскопом перекристаллизованные при метаморфизме глины, в которых уже образовались минеральные зерна, доступные для изучения, то в этих породах мы опять- таки обнаружим полевые шпаты и слюды. Механизм и время поступления щелочных металлов из морской воды в силикатное вещество осадков — очень важная и нерешенная проблема петрологии. При опробовании океанских илов начинает выясняться, что щелочи находятся в адсорбированном состоянии на частицах осадочных минералов и в интерстиционных растворах между ними. Однако неизвестно, на какой глубине под вышележащими морскими осадками эти компоненты начинают входить в состав частиц ила, изменяя их минеральную природу. Происходит ли отжимание интерстиционных растворов в то время, когда осадочные частицы еще не включили в свой состав натрий, или этот компонент уже входит в минеральный состав осадочных пород до удаления интерстиционных рассолов? Если нам к настоящему времени были бы лучше известны факторы, контролирующие этот процесс, веро-ятно, уже создалась бы возможность объяснять связь гранитных магм с геосинклиналями. Однако сейчас мы можем полагать, что при удалении из осадка большей части щелочей должны возникать глиноземистые расплавы, а при сохранении щелочей в осадках переплавление должно приводить к образованию нормальных гранитных магм. Кратко эти соотношения можно выразить, несколько изменив одно из положений Барта: «Разнообразие гранитоидов обусловлено осадочными процессами».

Фракционная кристаллизация и плавление лишь в некоторых случаях сопровождаются сегрегацией отдельных фракций. Мелкие однородные штоки, по составу близкие к наиболее низкой точке, образуются за счет магмы, которая была полностью отделена (сегрегирована) от не расплавившегося твердого остатка. Крупные же неоднородные батолиты, вероятно частично возникают за счет рас кристаллизации сегрегированной магмы и частично сложены обособившимся материалом твердого остатка, тогда как отдельные участки их, очевидно, представлены полностью переплавленным веществом без какого-либо разделения; при этом, очевидно, между типами существуют все переходные разновидности. Масштабы сохранения в батолитах материала, не подвергшегося полному плавлению, неоднократно обсуждались в литературе и рассматриваются в последующих разделах. Сейчас нам достаточно, опираясь на предыдущее изложение, сформулировать следующие положения:
1) Благодаря фракционному плавлению пород континентов на глубине возникают магмы, состав которых изменяется преимущественно от гранита до кварцевого монцонита.
2) При отделении расплавов от твердого остатка состав расплавов ока-зывается примерно одинаковым и содержит почти равные количества кварца, калиевого полевого шпата и натрового плагиоклаза.
3) При недостаточно четком отделении магм от твердого остатка возникают породы, сильнее различающиеся по составу и структурам.
4) Участки магматических тел, кристаллизовавшиеся из расплава и сложенные твердым не расплавившимся остатком, довольно трудно отличать один от другого, поскольку поровые водные флюиды в процессе охлаждения интрузивов вызывают перераспределение кристаллов в твердом состоянии и другие изменения пород.

Карбонатные магмы Можно предположить два способа возникновения карбонатной магмы: органогенный и не органогенный. Гипотеза органогенного происхождения карбонатных магм подразумевает связь их с концентрацией СО в виде кальцита или доломита животными. В отличие от этого гипотеза неорганического происхождения карбонатных магм связывает концентрацию С02 с процессом выделения этого компонента, ранее рассеянного в веществе первичной Земли. Гипотеза не органогенного происхождения карбонатных магм трудно поддается детализации и пониманию в связи с недостатком знаний, однако и органо-генная гипотеза не может объяснить существования карбонатных магм в течение огромного отрезка истории Земли, когда карбонато-образующих животных еще не существовало. Важен, таким образом, возраст карбонатитов и наиболее ранних известковых организмов. Многие штоки карбонатитов приурочены к докембрийским породам, и, вероятнее всего, сами имеют докембрийский возраст. Однако возрастное сопоставление этих пород с наиболее древними известково-водорослевыми рифами пока не проведено с достаточной точностью, и сейчас нельзя уверенно утверждать, что эти карбонатиты не могли образоваться в результате переплавления известняков.

Если бы удалось показать, что некоторые карбонатиты возникли до появления известковых организмов, то следовало бы отдать пред-почтение неорганической гипотезе. Последняя кажется более правдоподобной в связи с известными различиями состава карбонатитов и обычных известняков по элементам-примесям и соотношениям изотопов. К числу таких фактов относится, например, обогащенность некоторых карбонатитов ниобием. Современные наблюдения не позволяют нам полностью представить условия, существовавшие в докембрийское время. Однако можно указать на два соображения, которые позволяют считать, что в то время земная кора и мантия были гораздо богаче углеродом, чем сейчас. Прежде всего весь углерод, который в настоящее время сконцентрировался в близ поверхностных горизонтах в виде известняков, в период истории Земли до появления водорослей должен был бы находиться в рассеянном состоянии. Во-вторых, углерод под влиянием силы тяжести концентрируется в атмосфере вместе с наиболее легкими элементами. Утечка углерода в атмосферу продолжается и сейчас и, вероятно, была еще менее далека от завершения 1500 млн. лет назад. Исходя из этих соображений можно предполагать, что в докембрийское время земная кора должна была содержать значительно больше углерода, чем сейчас. Содержание углерода в земной коре не позволяет отказаться от представления о возможном сосуществовании карбонатных и силикатных магм или о генерации карбонатных магм силикатными в результате концентрации СО, на поздних стадиях эволюции. Даже если бы эксперименты показали, что такие соотношения невозможны, это лишь подтвердило бы уже известный факт, что образование карбонатной магмы происходит лишь в весьма специфических условиях. В противном случае карбонатиты должны были бы занимать не менее 1/100 современной поверхности Земли. Таким образом, резюмируя вышеизложенное, можно высказать два основных заключения: карбонатные магмы, несомненно, существуют и образуют в настоящее время лавовые потоки в Танзании; для объяснения происхождения карбонатных магм в настоящее время нет оснований отрицать органогенную и не органогенную гипотезу.

Щелочные породы и ассимиляция На контакте магмы и вмещающих твердых пород возникает возможность взаимного обмена веществом. Если ксенолиты, попавшие в магму, усваиваются частично, то лишь некоторые их составные части ассимилируются магмой. При полном усвоении ксенолитов ассимилируется все их вещество. Конечно, может также ассимилироваться и материал боковых пород, не попавших в виде ксенолитов в магму. Если усваиваются магматические породы более ранних стадий того же магматического цикла, процесс носит название гибридизма. Более же общий случай усвоения вещества, не относящегося к этому же циклу магматической деятельности, носит название контаминации. Например, ассимиляция известняка может быть названа контаминацией магмы известняком. В результате ассимиляции далеко не всегда образуются щелочные породы. Напротив, обычно при ассимиляции не возникает щелочных пород. По существу все магмы, вероятно, в той или иной степени контаминированы. Иногда в породах присутствует лишь небольшое количество магматического материала. Фракционное плавление. можно иначе назвать селективной ассимиляцией. Вероятно, при образовании обычных батолитов в огромных размерах проявляется ассимиляция осадков. Щелочные породы рассматриваются здесь в связи с ассимиляцией лишь как наиболее яркий пример этого процесса.

Здесь следует различать два способа: 1) кальций усваивается магмой и 2) кремнезем поступает в твердую вмещающую среду. При взаимодействии по первому способу образующиеся силикаты кальция будут представлены известковым полевым шпатом, пироксеном и гранатом за счет кварца, биотита, роговой обманки и гиперстепа. При взаимодействии по второму способу должны возникать безглиноземистые силикаты кальция — волластонит, пироксен, а в некоторых случаях ларнит и др. Конечно, оба эти процесса могут проявляться одновременно с возникновением обогащенной известью магмы, контактирующей с обогащенными кремнеземом вмещающими породами. В любом случае создается возможность возникновения дефицита кремнезема в магме, в связи с чем щелочи будут входить не только в состав полевых шпатов, но и обусловят появление нефелина или лейцита. В частности, такое образование приписывается лейцитовым лавам Везувия и нефелиновым лавам Хегау, ФРГ, хотя окончательно их генезис остается неясным.

Образование настоящих щелочных пород возможно лишь в результате выноса кремнезема во вмещающие породы. Только в этом случае могут возникнуть щелочные породы, полностью соответствующие их определению. Даже когда поступление кальция в магму вызывает кристаллизацию нефелина, в породе не может существенно измениться отношение (Na 4- K)/Si. Не все породы, в состав которых входят фельдшиатоиды, относятся к группе щелочных.

Щелочные породы, в состав которых входят фельдшиатоиды, встречаются не только в ассоциациях с известняками, но и с карбонатитами. Карбонатиты фактически вообще не встречаются без ассоциирующих с ними фельшиатоидных пород. Конечно, если карбонатиты представляют собой продукт плавления известняков, то и к этому случаю приложимо объяснение, которое было дано выше для понимания взаимодействия в ассоциации известняков и фельдшпатоидных пород. Однако, если карбонатная магма возникает в результате сегрегации вещества в земной коре или мантии, можно поставить следующий вопрос: возникает ли фельдшиатоидная магма в результате реакции части карбонатной магмы с нормальной силикатной магмой или какой-то общий процесс дифференциации приводит к совместному проявлению и карбонатной и фельдшиатоидной магм? Говоря иными словами, не ясно: служит ли одна из магм причиной появления другой или обе они представляют собой результат какого-то независимого общего процесса? В настоящее время ответа на этот вопрос нет, но он относится к числу таких проблем, которые подолгу могут существовать в той или иной науке.

Перидотиты Перидотиты расслоенных массивов явно образуются как продукты накопления кристаллов, отделившихся из базальтовой магмы на ранних стадиях ее кристаллизации. Здесь мы коснемся перидотитовых тел другого рода, образующих мелкие несогласные массивы, имеющие большее протяжение на глубину по сравнению с их длиной или шириной. Эти массивы встречаются преимущественно в складчатых горных поясах. К числу их мы, однако. отнесем и довольно крупные массивы перидотитов Новой Зеландии и Новой Каледонии. До сих пор нет общепринятых представлений о происхождении этих тел. Тем не менее проблемы, которые возникают по отношению к этим массивам, заслуживают внимательного рассмотрения.

В связи с массивами перидотитов можно поставить два самостоятельных вопроса: как вообще возникают тела подобного состава и в каком состоянии происходит становление этих тел — кристаллизуются ли они из магмы или поступают в твердом состоянии, в виде смеси твердого материала и жидкости и т. д.? Отграничим сразу же гипотезы, согласно которым перидотитовый состав уже был у материала, поступавшего на место современного залегания, от гипотез, которые предполагают возникновение перидотитов по ранее существовавшим телам иного состава. Отметим также, что нет необходимости предполагать одинаковое происхождение для всех перидотитов. В связи с этим следует заметить, что многие трудности в петрологии часто возникают почему-то из-за существующего мнения, что порода одного типа образуется лишь по какому-то одному-единственному способу. Выше при рассмотрении вулканизма уже указывалось, что близкие породы могут иметь различное происхождение, а при рассмотрении фракционирования мы отмечали, что породы одного происхождения могут обладать различными свойствами. Подобные ошибки возникают почти во всех случаях, когда генетические термины используются для обозначения описательных классов, например складки течения, сбросы скручивания и т. д.

Гипотезы, трактующие поступление перидотитов как таковых на место их современного залегания, можно разделить на две категории: 1) с привлечением в качестве источника вещества всемирного перидотитового субстрата и 2) прибегающие к другим источникам вещества. Гипотезы, в которых перидотиты рассматриваются как продукты преобразования уже существовавшего на месте ранее материала, разделяются также на две категории: 1) с образованием за счет пироксенитов и 2) с образованием за счет известняков и других пород. Несомненно, вопрос о существовании перидотитового субстрата наиболее важен, однако его нельзя решить на чисто петрологической основе, и в данном случае необходимо привлекать доказательства пз области сейсмических и гравитационных исследований, экспериментов с высокими давлениями и т. д. Эта проблема относится к веществу, располагающемуся ниже раздела Мохоровичича, где скорость упругих воли составляет около 8 км/с. В настоящее время широкое распространение имеют две гипотезы о составе этой зоны. В соответствии с одной из них предполагается, что состав этой зоны отвечает перидотитам, а согласно другой — эклогитам. Если справедлива первая гипотеза, то трудно объяснить однородность и многократные излияния крупнейших покровов базальтовых лав. Если же справедлива гипотеза об эклогитовом составе этой оболочки, то трудно объяснить однородность и многократное поступление перидотитов в земную кору. По своим масштабам базальтовые лавовые покровы представляют собой более серьезную проблему, чем перидотиты, но этот факт несколько уравновешивается тем обстоятельством, что неоднократная генерация базальта из перидотита более правдоподобна, чем неоднократная генерация перидотитов из эклогитов или базальтов. В местном плане эта проблема может быть решена глубинным бурением. Однако вся гипотеза о том, что ниже раздела Мохоровичича развито гомогенное вещество, имеет чисто умозрительный характер. Поэтому одной или двух скважин мало для того, чтобы решить этот вопрос в мировом масштабе.

Эти противоречия можно решить, объяснив способ становления перидотитов при низкой температуре или объяснив способ предохранения вмещающей среды от сильного нагревания. Решению этих вопросов может помочь предположение о высоком давлении паров воды. В этой системе, как и в системе кварц — вода, при высоком давлении паров воды в расплаве могут удерживаться доли процента воды в растворенном состоянии. При этом температура кристаллизации становится значительно ниже по сравнению с сухим расплавом. Вместе с тем высокое давление паров воды сводит к минимуму эффект дегидратации при нагревании вмещающей среды. Как это будет показано в разделе, посвященном метаморфизму некоторых пород, нагретых с водой до 800°, не происходит никаких изменений, как и в безводных условиях при 400° С. В таком случае возникает необходимость объяснить присутствие несерпентинизированного оливина. Роль критического фактора здесь может играть содержание кремнезема в водном флюиде, присутствующем в перидотитах.

Однако, вероятно, не все перидотиты следует интерпретировать с точки зрения их образования целиком в жидком состоянии. Смесь из 90 частей твердого вещества и 10 частей жидкости может быть настолько подвижной, что при ее внедрении могут возникать секущие границы, имеющиеся у исридоти- товых тел. Однако в этом случае в структуре твердой породы должны быть видны признаки образования за счет двух фаз, тогда как на самом деле часто отсутствуют даже реликтовые признаки второй фазы. В связи с этим обычно подчеркивается, что вторая фаза состояла преимущественно из очень легко подвижных и удалившихся из системы компонентов, преимущественно из воды. Вероятно, такие компоненты выполняли в процессе движения вещества роль своеобразной смазки для кристаллов оливина, а затем удалились из меж зернового пространства, не оставив никаких следов.

Проблема перидотитов, видимо, еще далека от разрешения, но она пред-ставляет собой хороший пример давно существовавшей и непрерывно обсуждающейся общей проблемы. Пи одна генетическая структурная или минера-логическая проблема не может быть решена в результате простого изучения горных пород. Всегда возникает вопрос, каковы были свойства пород в тот момент, когда они формировались или деформировались. В данном случае решающую роль могли играть летучие, легко подвижные, в настоящее время утраченные компоненты. 2% воды могли играть гораздо большую роль, чем содержание до 20% какого-либо минерала, который мы наблюдаем в настоящее время.

Анортозиты По характеру проявления в природе, по отношению к анортозитам возникают такие же примерно проблемы, как и по отношению к перидотитам. Они имеют интрузивный облик, однако безводная анортозитовая магма (свыше 90% плагиоклаза) могла быть жидкой только при температуре выше 1400° С. При рассмотрении анортозитов опять-таки следует помнить, что проблему размещения анортозитов необходимо отделять от проблем генерации и что не обязательно следует приписывать один и тог же способ происхождения всем телам анортозитов. Следует также заметить, что большая их часть, например Адирондакский анортозитовый массив, посуществу не может быть названа собственно анортозитами, поскольку в них обычно более 10% темноцветных минералов, и чем более детально изучаются их тела, тем яснее становится сложность этих образований.

Как в случае самостоятельных перидотитовых тел, так и в случае анортозитов важную роль, вероятно, играло присутствие воды. При низких давлениях в процессе плавления бедных калием пород земной коры, например базальтов или известково-глинистых сланцев, компоненты плагиоклаза и пироксена входят в жидкую фракцию совместно. Однако при давлении воды более 5 кбар в жидкую фракцию преимущественно поступают плагиоклазовые компоненты, тогда как железо и магний остаются в твердом остатке. При отделении и кристаллизации в другом место за счет таких расплавов могут кристаллизоваться породы с содержанием плагиоклаза не менее 80 %. Некоторые близкие к анортозитам породы действительно имеют такой состав. Из структурных особенностей анортозитов позволяют предполагать большую роль воды при их образовании следующие: 1) присутствие в анортозитах крупных кристаллов плагиоклаза, в связи с чем эти породы напоминают пегматиты, возникавшие в условиях большого избытка воды, 2) наличие в анортозитах пироксенов в офитовых срастаниях с плагиоклазом. Вопрос о природе анортозитового вещества еще далек от разрешения, однако экспериментальные работы последнего времени позволяют считать, что наиболее вероятен магматический генезис этих пород. Точная оценка всех этих гипотез невозможна до тех пор, пока не накопятся данные о среднем содержании и количестве темноцветных минералов в анортозитах и близких к ним породах.