КАК ОБРАЗУЮТСЯ ГРАНИТЫ

ФАЗОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ В МОДЕЛЬНЫХ КВАРЦ-ПОЛЕВОШПАТОВЫХ СИСТЕМАХ

    Физико-химической моделью гранитов, в основном состоящих из полевых шпатов и кварца, может служить система SiO₂-Al₂O₃-CaO-Na₂O-K₂O, которая включает пять главных оксидов, входящих в эти минералы. Несмотря на кажущуюся простоту, эта пятикомпонентная система сложна для исследования, и фазовые соотношения в ней трудно представить в наглядной форме. Поэтому используют частные модельные системы с меньшим числом компонентов: SiO₂(кварц)-KAlSi₃O₈(ортоклаз)-NaAlSi₃O₈(альбит) и SiO₂-KAlSi₃O₈-NaAlSi₃O₈-CaAl₂Si₂O₈(анортит). Силикатные расплавы, которые могут быть получены при нагревании смесей кварца и полевых шпатов, обладают высокой вязкостью, затрудняющей достижение равновесия между фазами. Для того чтобы понизить вязкость, кварц-полевошпатовые системы исследуют в присутствии воды, которая, растворяясь в силикатном расплаве, делает его более текучим. Такой подход тем более оправдан, поскольку природные гранитные магмы содержат растворенную воду, что подтверждается наличием в гранитах гидроксилсодержащих минералов - слюд и амфиболов.   

Рис. 1а. Система SiO2- KAlSi3O8-NaAlSi3O8-H2O при давлении 500 МПа...

Рис. 1б. Составы 511 природных гранитов...

    Система SiO₂-KAlSi₃O₈-NaAlSi₃O₈-H₂O была впервые подробно изучена американскими петрологами-экспериментаторами О. Таттлом и Н. Боуэном в 1958 году. В этой работе, которая положила начало современной петрологии гранитов, показано, что природные граниты близки по составу к наиболее низкотемпературным эвтектоидным расплавам, находящимся в равновесии с кварцем и K-Na полевыми шпатами (рис. 1). В 1970-1980-х годах Г. Винклер и В. Иоханнес в Германии изучили систему SiO₂-KAlSi₃O₈-NaAlSi₃O₈-CaAl₂Si₂O₈- H₂O, которая учитывает присутствие Ca плагиоклаза. В этой системе также были определены составы самых низкотемпературных расплавов, равновесных с кварцем и полевыми шпатами. Как было установлено, многие природные граниты отвечают именно этим составам.
    Из экспериментальных данных вытекает простой и эффективный механизм образования гранитных магм - частичное плавление кварц-полевошпатовых пород: песчаников, глинистых осадков, ранее образованных магматических пород, гнейсов и т.п. Гранитные магмы могут быть получены и другим путем - в результате дифференциации менее кремнекислых магм, из которых в процессе кристаллизации удаляются тугоплавкие твердые фазы, избыточные по отношению к эвтектоидному гранитному расплаву. На протяжении последних десятилетий дискуссия о происхождении гранитов в основном сводилась к выбору между этими двумя моделями. В 1950-1970-х годах предпочтение отдавалось дифференциации. Позднее были получены данные, свидетельствующие о том, что крупные массы гранитов являются продуктами частичного плавления вещества земной коры, а кристаллизационная дифференциация приводит к появлению лишь относительно малых количеств гранитного материала.
    Экспериментальные данные подтвердили важную роль воды в зарождении и кристаллизации гранитных магм. Было установлено, что безводные силикатные расплавы гранитного состава образуются при температуре не менее 950°С, тогда как природные гранитные магмы имеют начальную температуру 850-650°С. Понижение температуры затвердевания гранитов обусловлено растворением в силикатном расплаве некоторого количества воды, обычно измеряемого первыми процентами [4, 6]. Такая концентрация оказывается достаточной для того, чтобы существенно понизить температуру затвердевания и оказать влияние на реологические свойства магматической жидкости.
    Реальным источником воды, растворенной в гранитной магме, могут служить гидроксилсодержащие минералы, главным образом слюды и амфиболы, входившие в состав того корового вещества, которое подвергалось частичному плавлению. Слюда содержит около 4 мас.%, а амфиболы, например роговая обманка, - около 2% H₂O. Если вся эта вода перейдет в расплав при дегидратации, то при малых степенях частичного плавления (~ 20%) даже относительно небольшие количества этих минералов (10-20%) могут обеспечить заметную водонасыщенность расплава, которая в ходе последующей кристаллизации возрастает вследствие выделения ранних безводных минералов.
Эксперименты, выполненные в последние годы в лабораториях разных стран, позволили установить общие закономерности формирования гранитных магм в связи с реакциями дегидратации. При нагревании корового вещества разложение светлой калиевой слюды - мусковита происходит при 650°С, и этот процесс приводит к появлению относительно низкотемпературных гранитных магм. Темная слюда - биотит испытывает дегидратацию при 750-850°С, а роговая обманка, наиболее распространенный минерал из группы амфиболов, устойчива до 900-1000°С. Таким образом, расплавы, возникшие в связи с дегидратацией биотита и роговой обманки, имеют относительно высокую начальную температуру.   

Рис. 2. Соотношения между кривой дегидратации мусковита (D) и кривой начала плавления гранита при избытке воды (S). Пояснения даны в тексте.

    В координатах температура (Т ) - давление (Р ) кривые дегидратации гидроксилсодержащих минералов (например, линия D на рис. 2) и кривые начала плавления гранита при избытке воды (линия солидуса S ) имеют разный наклон и пересекаются в точке С. Выше этой точки дегидратация происходит до того, как возникает гранитный расплав, и в интервале 1-2 (рис. 2) вода может сохраняться в межзерновом пространстве твердых пород. При температуре Т₂ она растворится в насыщенном водой расплаве. Если давление больше, чем РС , то гидроксилсодержащие минералы разлагаются при температуре выше солидуса S (точки 4 или 6 ) и выделившаяся вода сразу же растворяется в возникающем расплаве, причем концентрация воды в перегретом расплаве оказывается ниже предельной растворимости. Чем выше давление, при котором происходит реакция плавления, связанная с дегидратацией, тем больше перегрев расплава относительно солидуса (ср. интервалы 3-4 и 5-6 ) и тем меньше степень насыщения расплава водой.
    Поэтому, чем глубже магматический источник, тем выше может подняться магма, содержащая воду (см. вертикальные стрелки на рис. 2). Эти соотношения раскрывают причину возникновения перемещенных и неперемещенных гранитов. Первые связаны с более глубокими коровыми источниками, имеют относительно высокую начальную температуру и в большей степени недонасыщены водой, что обеспечивает возможность дальней миграции расплава. Если же источник расположен на меньшей глубине вблизи уровня С (рис. 2), то расплав достигает насыщения и затвердевает в виде мигматитов недалеко от места зарождения.

Назад| Следующая страница