Геохимия магматических процессов

Основную информацию по геохимии магматических процессов дают сравнительное изучение изверженных пород, исследования современного вулканизма, данные экспериментов и петрургии (науки о каменном литье) и др.

Полученные совокупные геологические и геохимические данные показывают, что образование магматических пород связано с двумя независимыми магматическими источниками. Базиты и ультрабазиты связаны с ювенильными подкоровыми процессами, а гранитоиды с коровым магматизмом. Для базальтовой магмы характерны большие глубины образования – 50 – 500 км. Очаги гранитоидного магматизма залегают на глубинах 8 – 25 км.

Индикаторами корового и мантийного магматизма служат отношения в породах изотопов ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, ³He/⁴Не, ¹⁴³nd/¹⁴⁴nd, а также элементов - Rb/Sг, Lu/Hf, Ва/Та и др.

Так, в породах мантийного происхождения отношение ⁸⁶Sr/Sr⁸⁷ близко к 0,708, а в породах земной коры оно выше. Поэтому, определяя данное отношение в изверженных породах, можно установить их генезис.

Химический состав магмы рассматривается в курсах минералогия, петрологии.

Мы рассмотрим как магматические процессы определяют перераспределения элементов в земной коре.

Для магмы характерны несколько основных типов массопереноса:

– диффузия

– конвекция

– перемещение в газовых растворах

– кроме того, в петрологии выделяют ликвацию, отжимание, ассимиляцию магмой вмещающих пород, смешение магм и другие процессы, приводящие к магматической дифференциации.

Ликвация – разжижение, расплавление – разделение магмы на 2 жидкие фазы. Если эти фазы совместно застывают, то дают начало таким породам, как шаровые граниты, шаровые габбро, вариолиты. Если разделяются (под действием сил тяжести..) и застывают отдельно, дают породы ликвационного характера (не смешивающиеся капли, включения)

Первые две формы считают более универсальными. Именно в условиях конвекции и диффузии происходит кристаллизационная дифференциация, в ходе которой из магмы при понижении температуры последовательно кристаллизуются породы различной основности.

Важное значение в массопереносе имеют флюиды – продукты дегазации мантии и коровой магмы. Согласно Ф.А. Летникову, основой всех эндогенных флюидных систем служат С и Н. Если основой флюидов является углерод, то формируются С-системы горных пород - карбонатиты, кимберлиты, щелочные породы с высоким содержанием карбонатов, углеводородов и графита. С С-структурами связаны месторождения алмаза, Та, Nb, Zr, TR. Эти системы характерны для наиболее глубинных разломов.

Для Н-структур характерно преобладание Н₂О в флюидах и меньшая глубина залегания.

Информацию о геохимии магматизма дает изучение древних изверженных пород, но основную массу информации мы получаем при изучении современных вулканов.

На земной поверхности магма попадает в гипергенные условия. Температура и давление в ней резко понижаются, происходит ее дегазация. Магма взаимодействует с атмосферой и гидросферой, поверхностными отложениями. Так возникает особый ряд переходных систем от чисто магматических до гипергенных.

при извержении над вулканами образуются многокилометровые пеплово-газовые столбы – это мощные химические реакторы, в которых происходит синтез многих неорганических и даже органических соединений.

Таким образом вулканы играют значительную роль в перераспределении элементов в земной коре, в их концентрировании в определенных участках земной коры и образовании целого ряда специфических месторождений полезных ископаемых.

С современным вулканизмом связано образование залежей серного колчедана, железных руд, ртутно-сурьмяных осадков, металлоносных осадков в подводных рифтах, возможно, также железомарганцевых конкреции на океаническом дне.

С палеовулканизмом также связано формирование многих рудных месторождений, что позволило выделить особый вулканогенно-осадочный тип месторождений при образовании которых играли значительную роль не только магматические процессы, но и последующее перераспределение элементов в результате гидротермальных процессов.

По участию в магматических и гидротермальных (метаморфических) процессах А. Е. Ферсман разделил в все химические элементы на четыре группы (рисунок).

1-4 – группы элементов: 1- кислых магм и пневматолитов, 2-сульфидных месторождений, 3-средних магм, 4-основных и ультраосновных магм

Ультраосновные породы (ультрамафиты, ультрабазиты). Происхождение пород этой группы связано с верхней мантией. В ультраосновных расплавах потенциал кислорода низок, они содержат углеводородные флюиды. Ультраосновная магма содержит сравнительно мало водяных паров, поэтому формулы наиболее характерных минералов — оливина и пироксена — не содержат компонентов воды. Ультрабазиты отличаются резко повышенным содержанием (%) Mg (25,9), Cr (0,2) и Ni (0,2), пониженным содержанием Si (19), низким - Al (0,45), Na (0,57), К (0,03) и Ti (0,03).

Основные породы (базальты, габбро и др.). Происхождение основной магмы связывают с выплавлением из мантии. Для основных пород характерна концентрация Ni, Cr, Со, Mg, Mn, что сближает их с ультраосновными. Наименее характерны Ве, Та, U, Tl, Th, Cs, Cl, Rb, К, В.

Гранитоиды (кислые магмы). По В. И. Вернадскому, граниты - это «былые биосферы», они возникают при погружении и последующем переплавлении осадочных пород, однако данный механизм не исключает иного образования гранитоидов. В кислых породах накапливаются элементы большими атомными радиусами, ионы с валентностью 1 и 3 (Na⁺, К⁺, Rb⁺, Cs⁺, Cl^-, F^-, Аl³⁺ и др.).

Пегматиты(тела связанные с палеовулканизмом). Геохимические исследования пегматитов были начаты А. Е. Ферсманом. Ученый писал, что гранитный пегматит – это жильное тело, в своей основе связанное с магматическим гранитным остатком, главная часть кристаллизации которого лежит в пределах 700 – 350⁰ С.

Пегматиты формируются на глубинах от 2 до 15км и более. Выделяют формации пегматитов - мусковитовые, редкометальные, хрусталеносные и др.

Пегматитовый расплав богат Н,О, CO₂, F^-, Н₃ВО₂ и другими летучими, а также К, Na, Li, Rb, поэтому он может оставаться в жидком состоянии при довольно низких температурах (ниже 600⁰С). по сравнению с габбро в гранитных пегматитах содержание Li возрастает в 1000 раз, В – в 25, а Rb – в 100. Резко увеличивается содержание Cs, Nb и Та, Ве и др.

Гранитные пегматиты достаточно широко распространены – это источники Та, Li, Cs, оптического флюорита, ювелирных камней, полевого шпата, слюды, пьезокварца и другого ценного сырья.

В пегматитах установлено более 300 минералов. Размеры отдельных кристаллов часто достигают значительных размеров. Описаны кристаллы сподумена длиной 14 м, кварца – 7,5м, пластины слюды площадью 7м², полевого шпата массой до 100 т. Многие пегматиты используются в качестве месторождений драгоценных камней (знаменитая Мурзинка на Урале и др.).