24972 (597067), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В системах с летучими компонентами, эвтектика между двумя минералами может иметь несколько иное количественное соотношение, чем в «сухих» системах, но сохраняется. В тех случаях, когда в дополнение к двум минералам присутствует третий, например, пироксен, плагиоклаз и оливин, то порядок кристаллизации определяется правилом Нернста о понижении растворимости веществ, имеющих общий ион. Так как оливин и пироксен имеют общий ион (Mg, Fe), растворимость оливина в присутствии пироксена значительно уменьшается, и он кристаллизуется раньше полевого шпата даже в тех случаях, когда его содержание невелико. Особенности эвтектики сохраняются не только в тройной системе. Они должны сохраняться и в многокомпонентной системе, какой является магма.
4.2 Кристаллизация по закону перитектики
Кристаллизация по закону перитектики характеризуется следующими особенностями: 1) она возможна лишь в том случае, когда компоненты образуют химическое соединение с инконгруентной (скрытой) точкой плавления. Это означает, что при нагревании данное соединение не может сразу переходить в расплавленное состояние, а разлагается с образованием расплава иного состава и другой твердой фазы. Так, например, в двухкомпонентной системе Mg2SiO4-SiO2 есть соединение Mg2Si2O6, которое не может сразу переходить в расплав того же состава; 2) при кристаллизации по закону перитектики при определенных температурах ранее выделившиеся кристаллы вступают в реакционное взаимодействие с расплавом, в результате которого образуются кристаллы нового минерала; при этом реакционное взаимодействие имеет место только в определенные периоды процесса кристаллизации и поэтому взаимоотношения минералов с магмой и между собой могут быть только прерывно реакционными; 3) порядок выделения минералов строго определенный и не зависит от состава расплава; 4) температура начала и конца кристаллизации в известных пределах зависит от состава смеси; 5) состав последних порций кристаллизующегося расплава в известных пределах также зависит от состава исходного расплава.
В качестве примера рассмотрим «сухую» систему форстерит-кремнезем (Mg2SiO4-SiO2). Если расплав богат форстеритом, то при температуре 1850ºС (рис. 4.2) начнут выделяться кристаллы этого минерала. Кристаллизация продолжается при понижении температуры, так как в соответствии с правилом фаз F=(2+1) – 2=1. При температуре 1750ºС количество кристаллического форстерита уже будет примерно такое же как количество расплава. При температуре 1670ºС расплава будет уже в два раза меньше, чем кристаллов форстерита, а в составе расплава будет больше SiO2. При температуре 1557ºС между расплавом, состав которого уже будет составлять 25% от первоначального количества и кристаллами, количество которых составит 75% начнется реакция с образованием клиноэнстатита (точка перитектики – скрытая точка плавления). Согласно правилу фаз, температура не может дальше понижаться, пока не закончится эта реакция, так как здесь уже три фазы (две твердых и расплав), F=(2+1) – 3=0. В результате этой реакции израсходуется весь расплав и кристаллизация закончится. Образуется агрегат, в котором 30% клиноэнстатита и 70% форстерита.
Если расплав по составу соответствовал клиноэнстатиту, то при температуре 1700ºС начнут выделяться кристаллы форстерита и при дальнейшем понижении температуры количество их будет увеличиваться. При температуре 1557ºС между кристаллами форстерита и расплавом произойдет реакция. Температура в течение этой реакции не изменится, а результате реакции одновременно исчезнут и жидкость и кристаллы форстерита, то есть кристаллизация на этом закончится.
Если взять расплав более богатый кремнеземом, чем клиноэнстатит, то при температуре 1650ºС начнут выделяться кристаллы форстерита. Так будет продолжаться до температуры 1557ºС, когда начнется реакция между расплавом и форстеритом. Но в результате ее исчезнут уже кристаллы форстерита. Кристаллизация при этой температуре не закончится. Как только исчезнут кристаллы форстерита, температура вновь может понижаться, так как будет опять только две фазы (клиноэнстатит и расплав) и по правилу фаз F=(2+1) – 2=1. При понижении температуры из расплава будут выделяться непосредственно кристаллы клиноэнстатита. При температуре 1550ºС их количество достигнет 70%. Так будет продолжаться до температуры 1543ºС, когда состав расплава достигнет эвтектики между клиноэнстатитом и кристобалитом. Здесь появится новая твердая фаза (кристобалит) и кристаллизация будет продолжаться уже при постоянной температуре в соответствии с правилом фаз F=(2+1) – 3=0, до полного исчезновения эвтектического расплава.
При кристаллизации расплава еще более богатого кремнеземом кристаллизация начнется с выделения кристаллов кристобалита.
Рассмотренный случай очень важен для петрологии, так как иллюстрирует перитектические реакционные соотношения между оливином и ромбическим пироксеном. Реакционные каемки ромбического пироксена вокруг оливина в магматических породах наблюдаются постоянно. Они образуются в том случае, либо когда перитектическая реакция не доходит до конца, либо в результате полного израсходования кремнезема в расплаве, либо в результате резкого изменения температуры, когда выделившиеся кристаллы оливина не успевают прореагировать с расплавом и ромбический пироксен начнет кристаллизоваться из расплава и нарастать на остатки зерен оливина. Реакционные каемки бывают не только вокруг зерен оливина. На кристаллах ромбического пироксена можно видеть каемки моноклинного пироксена, образующиеся в результате не дошедшей до конца реакции между кристаллами ромбического пироксена и расплавом. В реакционных соотношениях находятся моноклинный пироксен и роговая обманка. Реакция кристаллов моноклинного пироксена с расплавом усложняется участием в ней воды. В реакционных соотношениях находятся роговая обманка и биотит. Таким образом, устанавливается определенный прерывно-реакционный ряд цветных минералов: оливин→магнезиальный пироксен→известково-магнезиальный пироксен→амфибол→биотит.
В ходе кристаллизации магмы отдельные члены этого ряда могут выпасть вследствие резкой смены условий. Каемки амфибола вокруг оливина будут свидетельствовать о таком неравновесном состоянии системы в процессе кристаллизации. При нормальном ходе кристаллизации магмы цветные минералы, выделившиеся в первые стадии процесса, полностью исчезают, сменяясь другими. Отсюда понятно, почему в порфировых вкрапленниках эффузивных пород цветной минерал обычно другой, чем тот, который присутствует в соответствующих интрузивных породах. В андезитах во вкрапленниках находятся обычно пироксены, а диоритах – роговая обманка.
Кристаллизация с образованием инконгруэнтно плавящегося соединения имеет место и для некоторых салических минералов. Так кристаллизуется система лейцит-кремнезем, в которой образуется ортоклаз, плавящийся инконгруэнтно. Температура кристаллизации лейцита – 1686ºС, а температура преобразования его в ортоклаз – 1170ºС. Этот процесс объясняет невозможность совместного нахождения фельдшпатоидов и кварца. Подобные реакции могут происходить и в многокомпонентной системе.
4.3 Кристаллизация по закону непрерывного реакционного взаимодействия (в системах с твердыми растворами)
Большинство минералов магматических пород представляют собой твердые растворы, то есть – совершенную изоморфную смесь двух или более компонентов. Плагиоклазы – изоморфная смесь альбита и анортита, щелочные полевые шпаты – калиевого полевого шпата и альбита, оливин – форстерита и фаялита и т.д. Поэтому кристаллизация расплавов, из которых образуются твердые растворы, имеет важное значение. В таких расплавах кристаллизация идет по закону непрерывного реакционного взаимодействия. Особенности кристаллизации по этому закону следующие: 1) в процессе кристаллизации состав выделившихся твердых кристаллов непрерывно изменяется; 2) температура определяет не только количественное соотношение выделившихся кристаллов и расплава, но и состав твердой фазы; 3) между выделившимися кристаллами и расплавом в течение всего процесса кристаллизации имеет место непрерывное реакционное взаимодействие, в результате которого изменяется состав расплава и твердой фазы; 4) прибавление к легкоплавкому компоненту более тугоплавкого может вызвать повышение температуры начала кристаллизации расплава смеси; 5) температура начала кристаллизации, состав первых кристаллов твердой фазы, а также температура конца кристаллизации, состав последних порций расплава и состав образовавшихся твердых кристаллов зависит исключительно от состава смеси.
Рассмотрим процесс кристаллизации в очень важной системе альбит-анортит (рис. 4.3). Температура плавления анортита – 1550ºС. Прибавление альбита постепенно понижает температуру начала кристаллизации расплава смеси. Температура плавления альбита – 1100ºС. Небольшое прибавление аноритта сразу же повышает температуру начала кристаллизации расплава смеси. Так расплав, содержащий 20% анортита и 80% альбита, начнет кристаллизоваться при температуре 1350ºС. Верхняя кривая на рисунке характеризует температуру начала кристаллизации и состав расплава, а нижняя кривая – температуру конца кристаллизации и состав твердой фазы.
Из расплава, содержащего 40% альбита и 60% анортита при температуре 1475ºС начнут выделяться кристаллы плагиоклаза, номер которого будет 87. При понижении температуры состав расплава будет изменяться в сторону обогащения альбитом, но и состав плагиоклаза тоже будет обогащаться альбитом. При температуре 1425ºС кристаллов плагиоклаза и расплава будет поровну. Номер плагиоклаза будет 78, а расплав будет содержать 58% альбита и 42% анортита. При температуре 1350ºС в равновесии будут уже кристаллы плагиоклаза №65 в количестве 85% и 15% расплава, содержащего всего 25% анортита. Количество расплава с понижением температуры непрерывно уменьшается и при 1325ºС уменьшится до 0. Номер плагиоклаза станет 60. Состав последних порций расплава будет содержать 80% альбита и 20% анортита. Таким образом, кристаллизация данного расплава закончится при температуре 1325ºС.
При нормальном ходе кристаллизации состав расплава и состав твердых кристаллов изменяется непрерывно. Это возможно только при достаточно медленном остывании, когда реакция доходит до конца. При кристаллизации магмы в глубинных условиях плагиоклаз, выделившийся в первые стадии процесса, успевает прореагировать с расплавом. Поэтому в интрузивных породах зональный плагиоклаз почти не встречается.
При образовании эффузивных пород кристаллизация идет быстро и не непрерывно. Поэтому плагиоклаз в этих породах имеет ряд особенностей. Во-первых, в порфировых вкрапленниках, представляющих сохранившиеся кристаллы первых стадий кристаллизации, обычно находится более основной плагиоклаз, чем тот, который составляет интрузивную породу соответствующего состава. Например, в риолитах встречается лабрадор, а гранитах – олигоклаз. Во-вторых, плагиоклаз во вкрапленниках эффузивных пород почти всегда зональный. Например, при кристаллизации расплава (рис. 4.4) температура от 1475ºС до 1425ºС понизится так быстро, что кристаллы не успеют прореагировать с расплавом. Тогда на них при дальнейшем понижении температуры начнет нарастать плагиоклаз другого состава. Поскольку в процессе кристаллизации может быть многократным перерыв в реакционном взаимодействии расплава с твердой фазой, то может образоваться несколько зон, то есть возникнет зональный плагиоклаз, который постоянно наблюдается в эффузивных породах. Границы между этими зонами могут быть резкими и расплывчатыми. Резкие границы, часто со следами оплавления, указывают на полное прекращение реакционного взаимодействия. Постепенные переходы между зонами указывают, что это взаимодействие было не полным, в результате того, что диффузия вещества из расплава к кристаллу шла быстрее, чем внутри кристалла.
Аналогичным образом кристаллизация может происходить и в системах, содержащих твердые растворы других составов (оливин, ромбические пироксены и т.д.). Кристаллизация в системе KAlSi3O8-NaAlSi3O8 в «сухом» состоянии будет проходить так же.
В системе KAlSi3O8-NaAlSi3O8 с летучими компонентами кристаллизация идет при более низких температурах, что может привести к распаду твердых растворов и образованию пертитов или антипертитов.
Особенности кристаллизации по закону непрерывного реакционного взаимодействия сохраняются и в более сложных системах.
4.4 Влияние летучих компонентов на кристаллизацию магмы
При кристаллизации расплавов, состоящих из одних силикатов можно не учитывать их летучесть и исключить влияние давления на ход кристаллизации. Однако, если в состав силикатного расплава входят такие летучие компоненты, как H2O, CO2, HCl, HF, H2 и т.п. пренебрегать газовой фазой нельзя, так как она участвует в процессе кристаллизации расплава.
Магма или лава всегда содержат летучие компоненты. На это указывают следующие факты: 1) извержение лав любого состава сопровождается вывыделением пара или газа в значительном количестве (на Аляске в вулканической области «Долина десяти тысяч дымов» ежегодно выделяется 1,25 млн. тонн HCL и до 200 тыс. тонн HF); 2) главной составной частью всех поствулканических выделений является вода; 3) все магматические породы содержат в своем составе воду. В граните ее 0,69%, в нефелиновом сиените – 1,38%, в габбро – 1,1%, в риолите – 1,54%, в базальте – 1,69%. В некоторых вулканических стеклах содержание воды достигает 10%. Но горных породах находится только небольшая часть воды, находящейся в магме. При кристаллизации большая часть летучих компонентов выделяется из магмы.
Сколько воды в магме точно неизвестно, но в 1938 г. экспериментами Горансона показано, что растворимость воды в гранитном расплаве ограничена. Гранитный расплав при давлении 100 атм (соответствует глубине 2 км) может растворить лишь 3,75% воды, а при давлении 4000 атм (соответствует глубине 15 км) – 9,25%. Во всяком случае нельзя считать, что магма может содержать неограниченное количество воды и других летучих компонентов.
Присутствие летучих компонентов в кристаллизующейся магме или лаве резко отражается на ее свойствах и влияет на ход кристаллизации.
1. Присутствие летучих компонентов резко снижает температуру начала кристаллизации. Установлено, что 1% растворенной в расплаве воды понижает температуру кристаллизации примерно на 50º, то есть при содержании 8–10% воды температура должна понизиться на 400–500 º.
2. Присутствие летучих компонентов резко понижает вязкость силикатного расплава, и, следовательно, способствует росту кристаллов.
В системах с ограниченной растворимостью летучего компонента в силикатном расплаве всегда имеет место резкий переход от расплава к раствору, даже при высоких давлениях. Отсюда следует наличие резкой границы между различными стадиями кристаллизации – магматической и пневматолитовой.
Главная особенность кристаллизации в системах с летучими компонентами – существование «ретроградного кипения», то есть выделения газа при одновременной кристаллизации. Оно начинается при понижении температуры. В результате ретроградного кипения магма превращается в горную породу, пропитанную газовым раствором, который находится в равновесии с породой и поэтому может вызвать перекристаллизацию ее подобно тому, как перекристаллизовывается осадок, остающийся в насыщенном растворе. В дальнейшем, если состав газового раствора изменяется, то он не будет находиться в равновесии с породой, и тогда магматические минералы начнут растворяться и замещаться вторичными минералами.
Таким образом, присутствие в магме воды и других минерализаторов обусловливает возникновение в конце кристаллизации газового раствора. Этот раствор в случае насыщенности его компонентами горной породы вызывает перекристаллизацию породы с образование грубозернистых структур. В другом случае, когда состав раствора отличается от состава горной породы, он вызывает отложение вторичных минералов с образованием различных структур замещения.
Общей особенностью кристаллизации магмы с участием летучих компонентов будет то, что этот процесс проходит в несколько стадий: 1) собственно магматическая стадия. Когда силикат выделяется из магмы, а газовая фаза еще не появляется; 2) «ретроградное кипение», когда из магмы выделяется и силикат и газовая фаза; 3) пневматолитовая стадия, когда силикат выделяется из газа; 4) стадия конденсации, когда появляются водные растворы и 5) гидротермальная стадия, когда силикат выделяется из водного раствора.
4.5 Закономерности парагенетических ассоциаций и последовательность выделения минералов
Подавляющее большинство магматических пород состоит из нескольких минеральных видов, они называются полиминеральными (гранит, гранодиорит, сиенит). Реже встречаются биминеральные (габбро, диорит) и мономинеральные (лабрадорит, пироксенит, оливинит) породы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
