МАГМАТИЗМ ЗЕМЛИ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГМ И МЕХАНИЗМ ИХ ПОДЪЕМА

Почти все магмы и возникающие при их затвердевании магматические горные породы имеют силикатный состав. Значительно реже и в несоизмеримо меньшем количестве образуются несиликатные магмы, например карбонатные. Последние являются продуктами частичного плавления карбонатизированных перидотитов верхней мантии, устойчивых на глубине более 80 км. Известны интрузивные карбонатиты магматического происхождения, состоящие из CaCO₃, CaMg(CO₃)₂, MgCO₃, (Na,K)₂CO₃, а в Танзании один из современных вулканов извергает лавы, близкие по составу к соде. Однако эти породы являются геологической экзотикой. Почти все вулканические и интрузивные породы состоят из силикатов - кислород-содержащих соединений кремния.
Температура силикатных магм в момент зарождения варьирует от 1800-1600 до 600-500 °C. Максимальные оценки относятся к наиболее глубинным ультраосновным расплавам, возникающим при плавлении перидотитов верхней мантии, а минимальные - к наименее глубинным кислым магмам, образованным в земной коре и обогащенным водой или фтором, которые значительно понижают температуру плавления.
Плотность жидких магм равна 2,2-3,0 г/см³ и примерно на 10% ниже, чем плотность твердых пород соответствующего состава. Максимальная плотность характерна для глубинных мантийных магм, которые оказываются более плотными (тяжелыми), чем вещество континентальной земной коры (2,7-2,8 г/см³).

Рис. 2. Возможная высота подъема магматического расплава с плотностью r2, который возникает в верхней мантии (обозначена галочками), имеющей плотность r1 > r2, и проникает в земную кору (обозначена крестами) с плотностью r3 < r2. *

Важное значение имеет вязкость магм - свойство, определяющее их подвижность (текучесть). Вязкость магматических расплавов, которая зависит от состава и температуры, варьирует от 1 до 108 Па*с. Наименьшей вязкостью (наибольшей подвижностью) обладают высокотемпературные магмы ультраосновного и основного составов, а наибольшая вязкость характерна для кислых магм, возникающих при относительно низкой температуре. Для сравнения заметим, что вязкость воды при комнатной температуре равна 10-3 Па*с, а эффективная вязкость твердого вещества коры и верхней мантии достигает 1018-1023 Па*с.
Поскольку расплав легче, чем твердые породы (разность плотностей составляет около 0,5 г/см³), а его вязкость на 10-20 порядков ниже, магматические очаги механически неустойчивы, и расплав, возникающий при частичном плавлении, выжимается из связной системы межзерновых пор, наподобие того, как выжимается вода из рыхлого осадка на дне моря или озера. (В том и другом случае жидкость выталкиваетcя из пор под действием силы тяжести.) В результате этого расплав накапливается в верхней части области зарождения магм, а твердый остаток - в нижней. Как показывают расчеты, магматический расплав просачивается вверх со скоростью, измеряемой несколькими сантиметрами или метрами в год.
Cкопления относительно легкой жидкости обладают некоторым избыточным давлением и начинают пробивать путь наверх самостоятельно, раздвигая стенки ранее существовавших трещин и заполняя плоские и линзообразные трещинные каналы. При этом скорость подъема не очень вязких магм может достигать километров и даже десятков километров в час.

Глубина, до которой может подняться расплав, определяется общим его количеством, соотношением плотностей расплава и вмещающих твердых пород, а также соотношением между температурой и содержанием растворенной в расплаве воды.
Чем глубже зарождаются магмы, тем обычно меньше степень частичного плавления и меньше общая масса возникшего расплава. По-видимому, многие малые выплавки не достигают приповерхностной зоны и затвердевают на относительно небольшом расстоянии от места зарождения.

Рис. 3. Возможная высота подъема расплава, не содержащего воды, и расплава, содержащего воду.**

Магмы, возникшие выше поверхности Мохоровичича, легче, чем материал земной коры, и такие расплавы сохраняют шанс достичь дневной поверхности. Плотность расплавов мантийного происхождения может быть выше, чем плотность твердых пород, образующих земную кору, и такие расплавы могут не дойти до поверхности. Расплав остановится, когда положительное избыточное давление, накопленное в столбе расплава ниже поверхности Мохоровичича, будет компенсировано отрицательным избыточным давлением выше этого уровня. Очевидно, что при прочих равных условиях магмы, связанные с более глубинными мантийными источниками, могут подняться выше, чем расплавы, образованные непосредственно под нижней кромкой земной коры (рис. 2).
Поскольку температура плавления силикатного вещества, не содержащего воды, уменьшается по мере снятия давления, относительно легкий "сухой" расплав может достичь дневной поверхности. Если же расплав содержит растворенную воду, то предельная высота подъема определяется линией солидуса для насыщенного водой расплава (рис. 3), и водосодержащие магмы, не сильно перегретые относительно солидуса, затвердевают в виде интрузивных тел, не доходя до дневной поверхности. Соотношения, показанные на рисунке 3, находят прямое геологическое подтверждение: среди основных пород, образованных при затвердевании практически безводных высокотемпературных (~1200 °C) расплавов, преобладают вулканические породы - базальты, а среди кислых пород, возникших при затвердевании водосодержащих магм, нагретых не более чем на 800-900 °C, наиболее распространены интрузивные породы - граниты.

*   Если h1(r1 - r2) = h2(r3 - r2), то h2 = h1(r1 - r2)/(r3 - r2), т.е. чем глубже зарождается расплав в верхней мантии (больше h1), тем выше он может проникнуть в земную кору (больше h2).

** Здесь Т - температура, р - давление, S₁ - солидус при отсутствии воды, S₂ - солидус расплава, содержащего воду, S₃ - солидус расплава, насыщенного водой. Если частично расплавленное вещество, не содержащее воды, нагрето выше температуры солидуса (точка 1), то расплав всегда сохраняет шанс достичь дневной поверхности (без учета соотношения плотностей, показанных на рис.2). Если расплав в точке 2 содержит некоторое количество воды, то при подъеме до уровня С (точка 2') он становится насыщенным ею; при дальнейшем подъеме вода выделяется в виде пузырьков надкритического флюида ("пара"). В точке 2'' расплав затвердевает, не доходя до поверхности Земли.

Назад| Следующая страница