Магматические формации современных геодинамических обстановок
Программа спецкурса

Главными задачами курса являются:

1. выявление связей между современными процессами магматизма, тектонической и геодинамической обстановкой их формирования на основе изучения формаций магматических пород;
2. обучение методам оценки P-T-fO2 условий образования конкретных магматических серий (ассоциаций пород), используя результаты экспериментальной и теоретической петрологии;
3. установление индикаторной роли магматических формаций и условий их образования в расшифровке современных и древних геологических обстановок и эволюции литосферы Земли.

Содержание курса

1. Основы формационного анализа.

• Понятие о природных ассоциациях горных пород - формациях. Место формаций в таксономическом ряду в системе наук о Земле. Магматические формации как частный случай геологических (Large Igneous Provinces?). Генетические типы магматических пород.
• Конкретная формация как геологическое тело. Формационный тип как комплекс генетических типов. Выделение и типизация магматических формаций и принципы их классификации. Группы формаций: однородные, контрастные (бимодальные), непрерывные. Формационные ряды как индикаторы эндогенных режимов.

2. Магмы и магматические серии.

• Определение магмы, фазовый состав и отличие магмы от магматического расплава. Понятия ригидуса, “кристаллической каши”, суспензии. Соотношения составов реальных расплавов и расплавных включений в минералах.
• Понятие “генетической общности пород” и определение магматической серии. Значение базальтов как “примитивного” источника ассоциаций магматических пород; первичные, исходные (родоначальные) и производные магмы. Базальтовый тетраэдр и главные типы базальтовых магм. Генетические серии горных пород: толеитовые, известково-щелочные, субщелочные, щелочные (фельдшпатоидные).

3. Мантийные резервуары и условия зарождения первичных магм.

• Мантийные и коровые резервуары, преобладание магм производных от мантийного субстрата. Источники информации о строении глубинных геосфер. Состав, термодинамические параметры и структура мантии. Понятия примитивной (необедненной) и обедненной мантии. Сопоставление примитивной мантии с составом обыкновенных хондритов. Мантийный метасоматизм и метасоматизированная (аномальная) мантия. Признаки переработки мантийного вещества под воздействием глубинных флюидных потоков. Аномальная мантия как источник обогащенных щелочами пород.
• Соотношения первичной выплавки и рестита, понятия степени плавления и критической пористости. Равновесное, фракционное и динамическое плавление. Эволюция состава расплава и рестита при равновесном плавлении источника (поведение главных и примесных элементов).

4. Концепция фракционирования как основа реконструкции магматических серий.

• Основные механизмы дифференциации магм и роль кристаллизационных процессов. Фракционная кристаллизация магмы, физические механизмы разделения кристаллов и жидкости. Корреляция трендов эволюции составов пород и минералов с последствиями фракционирования простых силикатных систем (Ab-An, Di-Ab-An). Графические методы изучения систем “источник - дифференциат” (принцип вычитания компонентов). Линии фазового контроля. Расчеты фракционной кристаллизации “по методу наименьших квадратов”.
• Уравнение Релея–Макфи в дифференциальной и интегральной форме (без вывода). Понятие степени фракционирования системы (=расплава). Смысл и значение коэффициентов распределения кристалл-расплав. Совместимые и несовместимые элементы, поведение при фракционной кристаллизации, примеры. Идеальное и частичное фракционирование.

4. Численные методы моделирования траекторий кристаллизации.

• Фракционирование твердых растворов отдельных минералов (на примере системы Fa-Fo) и котектических ассоциации, влияние пропорций кристаллизации. Комбинированный коэффициент распределения. Существо численных методов моделирования траекторий фракционирования.
• Значение уравнений равновесия (геотермометров) минерал-расплав, методы расчета температур равновесия минерал-расплав (на примере оливиновых геотермометров). Использование констант равновесия реакций кристаллизации главных породообразующих минералов для построения ЭВМ-модели КОМАГМАТ. Основные режимы моделирования кристаллизационных процессов при помощи программы КОМАГМАТ, описание входных данных и структуры “выходных” файлов.

5. Океанический магматизм: вулканические ассоциации.

• Геологические структуры дна океанов. Толеитовые базальты срединно-океанических хребтов (БСОХ: N-MORB, E-MORB, типы ТОР по Дмитриеву) и океанических плит (ареальные платобазальты). Типы пород, минеральный состав, химизм, флюидный состав, вторичные преобразования. Фазовая интерпретация толеитов СОХ при помощи диаграммы Гроува (OLIV-CPX-QTZ).
• Разнообразие внутриплитного магматизма, пять главных серий океанических о-вов. Толеитовые, субщелочные и щелочные серии Гавайских о-вов и Исландии. Тектонические структуры и геодинамические условия формирования внутриплитных структур. Концепция “горячих” точек, плюмы и диапиры.
• Гавайские о-ва и Исландия: геологическая история, строение вулканов, вулканические разрезы, магматизм. Вещественый состав вулканитов, петрография и химизм. Специфика кислых вулканитов Исландии, возможные механизмы их образования, относительные пропорции дифференциатов. Сходства и различия БСОХ и ТОО. Мантийная природа океанического магматизма.

6. Океанический магматизм: интрузивные ассоциации.

• Схема строения океанической коры. Процессы, формирующие облик океанической литосферы. Малоглубинные (эффузивно-интрузивные) и глубинные (плутонические) формации: непрерывные базитовые и контрастные базит-гипербазитовые. Вещественный состав плутонических пород. Петрохимические особенности и геохимические характеристики, аналогии с различными типами БСОХ.
• Особенности состава океанических перидотитов: шпинелевые гарцбургиты и дуниты, различия степени плавления источника. Габбро и связанные кислые породы, проблема происхождения плагиогранитов. Источник воды в амфиболах. Относительная роль эндогенных и экзогенных факторов в формировании вулканических ассоциаций и плутонических комплексов океанов.

7. Происхождение океанических магм.

• БСОХ: критерии поиска родоначальных и первичных магм, значение состава оливина. Альтернатива лерцолитового и гарцбургитового источника, результаты опытов по плавлению лерцолитов. Проецирование составов природных стекол на экспериментальные котектики и оценки давления в области магмогенерации. P-T диаграмма магнезиального толеита БСОХ, порядки кристаллизации для разных давлений. Особенности полибарического фракционирования и интерпретация природных петрохимических трендов - роль диаграммы CaO-MgO. Барометрия закалочных стекол Срединно-Атлантического хребта при помощи программы КОМАГМАТ.
• Гавайи: поиск родоначальных и первичных магм для толеитовых серий. Данные экспериментальных исследований. Противоречия между “геохимической меткой граната” и гарцбургитовой моделью рестита: двухстадийная гипотеза полибарической гибридизации первичных магм. Возможное происхождение щелочных серий.
• Исландия: первичные магмы рифтогенных и щелочных серий (по данным изучения расплавных включений). Результаты моделирования толеитовой серии вулкана Тингмули по программе КОМАГМАТ. Проблема бимодальности базальт-андезит-риолитовых серий.

8. Магматические формации континентальных платформ.

• Строение молодых и древних континентальных платформ, понятие магматической активизации и главные формации этого периода. Эффузивно-интрузивная формация толеитовых и субщелочных базитов (трапповая). Главнейшие трапповые провинции: Сибирская платформа, Карру, Декан, Британо-Арктическая провинция. Геотектоническая обстановка траппового магматизма, ее связь с деструкцией континентов с образованием обширных изверженных провинций (ОИП или LIP). Сравнительная характеристика платформенных (трапповых) и океанических базитовых формаций.
• Происхождение эффузивных траппов. Значение субщелочных пикритов в траппах Декана и Карру, составы оливина. Выделение низко-Ti и высоко-Ti серий. Распределение и особенности состава эффузивных траппов Сибирской платформы. Современые модели их генезиса. Базальт-риолитовые (габбро-гранитные) ассоциации. Происхождение кислых пород контрастных серий континентальных платформ.

9. Главнейшие расслоенные базитовые и базит-гипербазитовые интрузивы платформ.

• Классификация долеритов - главные типы структур, их интерпретация. Типы строения долеритовых силлов: Норильский, Аламджахский, Ангаро-Могдинский (примеры – Талнах и Вавукан). Признаки фракционирования магмы в строении долеритовых силлов. Механизмы внутрикамерной дифференциации, гипотезы “направленной кристаллизации” и “оседания кристаллов”. Конвекционно-кумуляционная модель формирования трапповых интрузивов (программа ИНТРУЗИВ). Примеры моделирования дифференцированных силлов. Рудоносность расслоенных интрузивов в связи с их петрогенезисом.
• Крупные расслоенные интрузивы: особенности разрезов и вещественный состав пород. Отличия от долеритовых силлов. Скергаардский интрузив: геологическое положение, основные подразделения, соотношения Верхней краевой группы и Расслоенной серии. Принцип расчета составов остаточных магм, проецирование на диаграмму AFM. Боуэновский и феннеровский тренды дифференциации (диаграмма FeO-SiO2). Проблемы эволюции скергаардской магмы.

10. Магматические формации рифтовых зон континентов.

• Зоны рифтогенеза и рифты: особенности геологического развития и глубинного строения, связи с щелочным магматизмом. Щелочные базальтоидные формации, их строение и состав. Кимберлиты, лампроиты и карбонатиты. Дифференцированные интрузивы центрального типа щелочно-ультраосновного состава, ассоциация с карбонатитами. Формации нефелиновых сиенитов.
• Специфика эпиконтинентальных (эпиплатформенных) рифтов, две модели их образования. Главные типы магматических серий. Африкано-Аравийский пояс и Байкальская рифтовая зона как примеры эпиплатформенных рифтов.
• Эпиорогенные рифтовые зоны: отличия от эпиконтинентальных рифтов, тектоническая позиция, геологическое строение, стадии развития. Главные типы магматических формаций. Примеры эпиорогенных рифтов (Камчатка, Анды, Запад США). Отличия океанического и континентального рифтогенеза.

11. Происхождение щелочных пород.

• Гипотезы образования щелочных магм: “карбонатная”, фракционной кристаллизации, внутрикорового плавления. Природа глубинного источника щелочных магм, мантийный метасоматизм. Признаки воздействия флюидов их возможный состав. Значение включений в щелочных породах как индикаторов состава мантии и режима плавления. О роли углекислоты, генезис карбонатитов. Вертикальная зональность аномальной мантии.
• Фракционная кристаллизация щелочных магм: геологические данные и результаты экспериментов. Частичное плавление амфиболитизированной коры: влияние воды и СО2 - образование фонолитов. Значение ксенолитов как показателей строения коры и режима кристаллизации.

12. Общая характеристика окраин континентов.

• Пассивные и активные окраины. Стадии развития и особенности строения пассивных окраин, примеры. Разновидности активных окраин (три группы), этапы развития и глубинное строение. Главные структуры активных окраин. Энсиалические и энсиматические дуги. Внутренние и внешние дуги, относительное время их образования. Вулканические фронты. Главные типы магматических серий, продольная и поперечная зональность. Ксенолиты и гомеогенные включения, значение алливалитов и эвкритов. Принципы петрохимической типизации и геохимические особенности островодужных вулканитов.

13. Магматические формации островных дуг Западно-Тихоокеанского типа.

• Геология и глубинное строение островных дуг. Главные формационные типы и петрогенетические серии, их состав и строение. Эволюция магматизма во времени и латеральная зональность. О роли островодужного магматизма в формировании континентальной коры.
• Геологические и генетические соотношения высокоглиноземистых (ВГБ) и высокомагнезиальных базальтов. Гипотеза “плавления мантийного клина”. Признаки присутствия материала океанической коры в источнике. Роль воды в образовании ВГБ магм. Адакиты как продукт плавления океанической плиты и возможный аналог архейских тоналит-трондьемит-гранодиоритовых (TTG) серий!?
• Полибарическое фракционирование как механизм образования высоко-глиноземистых базальтов (на примере Ключевского вулкана). Магмогенерирующая система вулканов Ключевской и Безымянный. Условия формирования общей базальт-андезит-дацит-риолитовой (известково-щелочной) серии. Роль кристаллизации магнетита и роговой обманки.

14. Магматические формации активных окраин Восточно-Тихоокеанского типа.

• Окраинные вулкано-плутонические пояса, их общая характеристика и глубинное строение. Главные формационные типы и петрогенетические серии. Состав магматических пород. Роль магматизма континентальных активных окраин в формировании земной коры. Сравнительная характеристика магматизма островных дуг и окраинно-континентальных вулканических поясов.
• Геологическое строение и история развития Анд. Три главных сегмента. Вещественный состав главных серий. Геохимия, летучие, специфика изотопного состава. Оотличия андского магматизма от островных дуг.
• Особенности классификации андезитов. Мантийные и внутрикоровые гипотезы их образования. Относительная роль ассимиляции, смешения и фракционной кристаллизации (AFC-модели). Возможность непосредственного выплавления андезитовых расплавов в области мантийного клина. Эксперименты по плавлению коровых материалов. Вывод о полигенетичности механизмов формирования андезитовых магм.

15. Магматические формации окраинных морей.

• Общая характеристика и глубинное строение. Типы окраинных морей, отражающие разные стадии их формирования. Формационные типы и петрогенетические серии. Эволюция магматизма во времени и его вариации, связанные с неоднородностью фундамента окраинных морей. Происхождение и эволюция магм. Черты сходства и различия в магматизме окраинных морей и островных дуг. Роль магматизма в пребразовании земной коры в окраинных морях.

16. Магматические формации глубоководных желобов.

• Геологическое строение желобов, типы разрезов. Структура офиолитовых комплексов, их возраст и состав. Интрузивные ассоциации. Магматические породы центральной части желобов. Проявление молодого вулканизма желобов и преддужья и его роль в геологической истории активных окраин.
• Петрохимическая специфика и минералогические особенности бонинитов. Высоко-Са и низко-Са бониниты (примеры). Значение клиноэнстатита и роль воды. Результаты экспериментов с простыми и природными системами. Оценка давления и содержания воды. Вывод о недосыщенности исходных расплавов по содержанию H2O.

17. Магматические формации древних подвижных поясов геосинклинального типа.

• Вулканогенные формации, их эволюция во времени на разных стадиях развития. Офиолитовые ассоциации, интрузивные базитовые и гранитоидные формации. Сравнение формационных рядов древних фанерозойских подвижных поясов с формационными рядами магматизма современных обстановок.

18. Эволюция магматизма в истории Земли.

Дополнительные лекции

19. Особенности внеземного магматизма.

• Источники информации о вещественном составе продуктов внеземного магматизма. Общая схема формирования вещества метеоритов и планетных тел. Значение базальтоидных ахондритов, их состав. SNC – метеориты как возможный продукт марсианского магматизма, оценки состава исходных магм. Лунные метеориты и главные особенности лунных пород. Высоко- и низко-Ti лунные морские базальты. Глобальные отличия земных и внеземных котектик. Возможная роль раннего отделения железа и образования ядра.

20. Редокс-равновесия в магмах и условия кристаллизации магнетита.

• Окисленность пород и магматических расплавов. Значение температуры. Редокс-равновесия в жидкости. Уравнение Сэка. Влияние воды и давления. Кислородные буферы. Окислительные и восстановительные условия. Ряды окисленности магм по Кармайклу.
• Открытые и закрытые по кислороду системы. Опыты Осборна, воспроизведение “боуэновского” и “феннеровского” трендов. Данные экспериментов по изучению равновесия Mt-расплав. Уравнение магнетитового ликвидуса. Моделирование равновесия магнетит – расплав. Расчеты кристаллизации магнетита и сравнение с экспериментальными данными Хилла и Редера (1974). Примеры численного моделирования образования базальт-андезит-дацитовых серий.

Рекомендуемая литература

1. Фролова Т.И.,Бурикова И.А. Магматические формации современных геотектонических обстановок. М.: Изд-во Московского университета. 1997. 319 с.
2. Арискин А.А., Бармина Г.С. Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм. М.: Наука. 2000. 363 с.
3. Магматические горные породы. Эволюция магматизма в истории Земли (под ред. В.И.Коваленко). М.: Наука. 1987. 508 с.

Дополнительно

1. Мюллер Р., Саксена С. Химическая петрология. М.: Мир. 1980. 517 с.
2. Кокс К.Г., Белл Дж.Д., Панкхерст Р.Дж. Интерпретация изверженных горных пород. М.: Недра. 1982. 438 с.
3. Хьюджес Ч. Петрология изверженных пород. М.: Недра. 1988. 320 с.