Это не значит, однако, что смешение магм вообще не может иметь места. Некоторые необычные горные породы, в которых большое число кристаллических фаз находится в неравновесных парагенезисах, могут представлять собой в ряде случаев продукты смешения двух частично закристаллизованных магм. Одним из возможных примеров являются кейвекиты (Новая Зеландия). Они представляют собой лавы, в которых вкрапленники плагиоклаза, анортоклаза, авгита (с эгириновыми каемками), оливина и бурой роговой обманки погружены в основную массу из олигоклаза, анортоклаза и авгита. Они рассматриваются как базальто-трахитовые гибридные породы. Гораздо большее значение, чем такие редкие породы, как кейвекиты, имеют примеры смешения магм для более распространенных типов лав, особенно для андезитов и базальтов. В лавах из вулканической провинции Сан-Хуан в Колорадо различия состава вкрапленников плагиоклаза слишком сложны, чтобы их можно было объяснить простой дифференциацией. Эти изменения совместимы с механизмом смешения двух магм, содержащих взвешенные кристаллы. Кроме того, авторы работ по провинции Сан-Хуан пришли к выводу, что здесь должно было иметь место весьма тщательное перемешивание больших масс магмы для того, чтобы можно было объяснить однородное распределение вкрапленников полевого шпата в лавах очень протяженных потоков. На основании вышеприведенного примера и на основании весьма широкого распространения вкрапленников плагиоклазов с сильно изменяющимся составом в андезитах и дацитах представляется возможным предположить, что основная функция магматического смешения в эволюции магматического ряда заключается в соединении магм одинакового происхождения, которые ранее обособились в результате дифференциации или ассимиляции.
3.5 Условия кристаллизации магмы
Степень кристалличности и зернистости пород зависит в основном от условий кристаллизации магмы. Полнокристаллические крупно- и среднезернистые породы являются преимущественно интрузивными абиссальными, то есть застывшими на глубине более 1 км. Они образовались в условиях медленного понижения температуры, под большим давлением вмещающих пород, что препятствовало отделению минерализаторов, снижающих вязкость магматического расплава. Если внешнее давление сохраняется в ходе кристаллизации, остаточный расплав магмы значительно обогащается минерализаторами, что создает условия для образования гигантозернистых структур, характерных для пегматитов.
Эффузивные породы, имеющие скрытокристаллическую структуру и часто содержащие вулканическое стекло, образовались на поверхности Земли в условиях резкого падения температуры при незначительном давлении. Вследствие этого расплав быстро терял летучие компоненты. Гипабиссальные породы, сформировавшиеся на небольших глубинах в промежуточных условиях, имеют мелкозернистые и афанитовые структуры.
В природе существуют исключения из выше приведенных условий. Если в интрузивных телах образуется трещиноватость, то минерализаторы (летучие компоненты) легко выделяются из магмы, потеря которых приводит к резкому повышению вязкости магмы и быстрой ее кристаллизации с образованием мелкозернистой структуры (например, при образовании аплитов). Структуры пород, слагающих разные участки одного и того же массива, обычно различны. В краевых частях любых интрузивных и эффузивных тел породы менее раскристаллизованы, чем в центральных участках.
Процесс кристаллизации магмы определяется в основном двумя факторами, из которых складывается кристаллизационная способность вещества: а) количеством образующихся центров кристаллизации и б) скоростью роста кристаллов. Кристаллизация расплава возможна лишь при некотором его переохлаждении, потому что в истинно равновесных условиях выделение теплоты при переходе вещества из жидкого в твердое состояние обусловливает расплавление образовавшихся кристаллов, в то время как при переохлаждении этой теплоты оказывается недостаточно (рис. 3.1.). Число центров кристаллизации в районе точки плавления очень незначительно, но оно возрастает с увеличением степени переохлаждения, а затем, пройдя максимум, уменьшается и становится равным нулю. Скорость роста кристаллов также мала вблизи точки плавления, увеличивается по мере удаления от нее, переходит через максимум и уменьшается до нуля. При этом максимумы кривых
скорости роста кристаллов и скорости образования центров кристаллизации не совпадают, что обусловливает наличие нескольких областей переохлаждения с различной кристаллизационной способностью и соответственно с разными типами структур.
Если магма охлаждается медленно и температура ее долго держится вблизи точки плавления, то образуется небольшое количество центров кристаллизации. При очень медленном охлаждении магма может полностью раскристаллизоваться, не достигнув поля, где образуется много центров кристаллизации.
4. Общие закономерности кристаллизации магмы
Главнейшие особенности минерального состава, структуры и текстуры любой магматической породы определяются процессом кристаллизации природного силикатного расплава – магмы. Магма имеет сложный и различный в разных случаях состав. В результате ее кристаллизации обычно выделяется не один твердый минерал, а несколько. В процессе кристаллизации выделившиеся минералы находятся во взаимодействии с расплавом, некоторые из них появляются и исчезают, другие изменяют свой состав, третьи остаются такими, какими они выделелись первоначально. Для того, чтобы представить себе общий ход кристаллизации магмы, как главной стадии образования магматической породы, уяснить порядок выделения минералов, характер взаимных отношений между выделившимися минералами и расплавом, необходимо рассмотреть общие законы кристаллизации силикатных расплавов. Они установлены экспериментально и рассчитаны теоретически, действуют при кристаллизации двух-, трех- и многокомпонентных систем и определяют кристаллизацию магмы, которая с точки зрения физической химии является многокомпонентной системой.
Кристаллизация любого сложного расплава, как естественного, так и искусственного, подчиняется трем законам: 1) закону эвтектики; 2) закону перитектики (прерывно-реакционного взаимодействия) и 3) закону кристаллизации твердых растворов (непрерывно-реакционного взаимодействия) и при кристаллизации сложного многокомпонентного расплава все эти типы соотношений могут проявляться одновременно, то есть одна пара или несколько минералов могут находиться в эвтектических соотношениях между собой и расплавом, друга пара может иметь прерывно-реакционные соотношения и т.д. Перечисленные законы относятся к кристаллизации «сухих», конденсированных расплавов, на кристаллизацию которых не влияет наличие газовой фазы. При кристаллизации расплавов богатых летучими компонентами вышеупомянутые отношения между минералами и расплавом сохраняются, но процесс кристаллизации существенно усложняется.
4.1 Кристаллизация по закону эвтектики
Кристаллизация по закону эвтектикихарактеризуется следующими главными особенностями: 1) выделяющиеся из расплава минералы не меняют во время кристаллизации свой состав и не вступают в реакционное взаимодействие ни между собой, ни с расплавом; при нарушении нормального хода кристаллизации может быть лишь задержка в кристаллизации, обратное расплавление (оплавление) ранее выделившихся твердых кристаллов; 2) порядок выделения минералов из расплава определяется не столько температурой плавления этих минералов, сколько составом кристаллизующегося расплава, концентрацией в нем того или другого компонента; 3) температура начала кристаллизации расплава смеси зависит от состава этой смеси; небольшая прибавка к какому-либо компоненту другого компонента понижает температуру начала кристаллизации; 4) температура конца кристаллизации расплава смеси не зависит от состава смеси; кристаллизация заканчивается всегда при определенной эвтектической температуре; 5) состав последней порции расплава в конце процесса кристаллизации не зависит от состава исходного расплава. Состав последней порции расплава всегда определенный – эвтектический. Эвтектика – это определенное процентное соотношение двух или нескольких компонентов расплава, которые одновременно кристаллизуются при определенной температуре, которая всегда ниже температуры кристаллизации каждого их компонентов в отдельности.
Рассмотрим эвтектическую кристаллизацию на примере системы диопсид-анортит (рис. 4.1). Температура плавления анортита 1550 ºС, то есть если взять расплав чистого анортита, то он будет кристаллизоваться при этой температуре пока полностью не раскристаллизуется и температура будет постоянной. Это вытекает из «правила фаз», выражаемого формулой F=(K+2) – P, где F – число возможных изменений условий, К – число компонентов и Р – число фаз (твердых и жидких). Для конденсированных систем, где изменение давления не влияет на ход кристаллизации, это выражение принимает вид: F=(K+1) – P. В данном случае К=1, так как взят расплав только одного анортита и система однокомпонентная. Р=2 (расплав и кристаллы анортита), следовательно F= (1+1) – 2=0.
Прибавление 15% диопсида к расплаву понизит температуру начала кристаллизации до 1510ºС. При этом в ходе кристаллизации температура уже может понижаться, так как здесь К=2, Р=2, F=(2+1) – 2=1. Если взять состав расплава с еще большим содержанием диопсида (например, 35%), то температура начала кристаллизации будет еще ниже (1420ºС). Поскольку состав расплава можно изменять непрерывно, то полученная кривая выразит температуру начала кристаллизации всех смесей богатых анортитом.