Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

Рис. 2. Смещение эвтектики диопсид - анортит под влиянием давления без летучих компонентов и в присутствии избытка воды

Теория эволюции изверженных пород должна дать объяснение разнообразию их составов и наблюдаемым непрерывным (или, наоборот, дискретным) переходам между ними. В ассоциациях или сериях производные магматические продукты обладают характеристиками, унаследованными от материнской магмы, что Дж.Иддингс назвал кровным родством. Первым теорию эволюции, обоснованную экспериментальными данными, сформулировал в 20-е годы выдающийся петролог и экспериментатор Н.Л. Боуэн. В качестве главного механизма образования обычных химических типов изверженных пород, дающих непрерывную серию от базальтов до риолитов, он рассматривал фракционную кристаллизацию родоначальной базальтовой магмы. Его теория была основана на экспериментальном изучении "сухих" (без летучих компонентов) систем при атмосферном давлении в сопоставлении с микроструктурными наблюдениями в петрографических шлифах, демонстрирующими последовательность выделения породообразующих минералов из магмы и реакционные отношения между ними. Основные принципы понятны из приводимого ниже рассмотрения простых систем.

Рис.3. Диаграмма плавления плагиоклазов при 1 бар и ее изменение при высоких давлениях и под давлением воды.

Несмотря на упрощенный состав систем, порядок выделения минералов, выведенный из рассмотренных диаграмм, хорошо отражает то, что следует из микроструктурных отношений в петрографических шлифах. В системе диопсид-анортит кристаллизация в поле анортита приводит к его раннему выделению и образованию структуры, сходной с офитовой. Вблизи же эвтектического состава при одновременной кристаллизации диопсида и анортита формируется аналог габбровой структуры. Кристаллизация в системе альбит-анортит моделирует образование прямой зональности плагиоклазов с основным ядром и более кислыми краями, характерной практически для всех изверженных пород. Кристаллизация магнезиально-железистых минералов (оливинов, пироксенов, роговых обманок, слюд) всегда начинается с более тугоплавких магнезиальных разновидностей, а равновесный расплав обогащается железом относительно магния. Это хорошо видно в зональности соответствующих кристаллов и четко устанавливается по экспериментальным данным.

Существенную роль в концепции Н.Л.Боуэна играют реакционные отношения минералов. О простейших случаях реакций расплава с минералами - твердыми растворами (плагиоклазами, магнезиально-железистыми минералами) написано выше. Теперь рассмотрим образование ортопироксена при перитектической реакции расплава с оливином, которое реально наблюдается в микроструктурах многих основных горных пород. Оно моделируется в системе MgO-SiO₂ (рис. 4). Форстерит выделяется из расплава при составах, даже более кремнекислых, чем стехиометрия ортопироксена (Mg/Si=1:1), но при понижении температуры реагирует с расплавом с образованием энстатита. Последний корродирует и обрастает ранее выделившийся оливин.

Экспериментальные данные и наблюдения над микроструктурными отношениями минералов были наглядно обобщены Н.Л. Боуэном в виде реакционных серий минералов. Для наиболее распространенных пород нормального ряда выделяются две параллельных серии: непрерывная для плагиоклазов (от основных к кислым) и прерывистая - Mg-оливины Mg-пироксены Ca-Mg-пироксены амфиболы биотиты. Выделение на ранних стадиях кристаллизации и фракционирование темноцветных минералов и основных плагиоклазов ведет к уменьшению в остаточном расплаве Mg, Fe, Ca, а кристаллизация недосыщенных и относительно бедных кремнеземом (оливины, пироксены, основные плагиоклазы) минералов - к накоплению SiO₂. В составе остатка накапливаются щелочные металлы - K и Na, а также летучие компоненты, почти не входящие в состав ранних кристаллических выделений. Количество железа в целом уменьшается, но в силу более ранней и высокотемпературной кристаллизации магнезиальных членов изоморфных рядов темноцветных минералов отношение железа к магнию в остаточном расплаве и в выделяющихся из него минералах возрастает. Такие тенденции действительно прослеживаются в трендах изменения состава последовательных членов серий магматических пород. Фрагменты указанных закономерностей последовательности выделения минералов и реакционных отношений между ними видны и в микростуктуре распространенных горных пород.

Рис.4. Диаграмма плавления системы Mg2SiO4 - SiO2 при 1 бар и ее изменение при высоких давлениях и под давлением воды.

Фазовые отношения в рассмотренных и подобных системах часто используют также как модели зарождения магм при парциальном плавлении субстрата. В этих случаях первая наиболее низкотемпературная выплавка соответствует температурному минимуму существования расплава. Наиболее обычный, хотя и не единственный тип минимумов - эвтектические точки. Этим обстоятельством объясняется наибольшая распространенность магм, близких к эвтектическим отношениям.

Очевидно, что кристаллизационная дифференциация возможна только в области субликвидуса, т.е. при условиях совместной устойчивости расплава и кристаллов. При понижении температуры она заканчивается с полной кристаллизацией расплава.

Минимальная температура существования расплава в большинстве систем - эвтектическая, а состав эвтектики - предел изменения состава системы по этому механизму. Соответственно при повышении температуры пределом сосуществования расплава с кристаллами (температурным максимумом) является конгруэнтное плавление самых тугоплавких кристаллических фаз, а состав последних лимитирует изменение состава системы при повышении температуры. Температурные минимумы и максимумы ликвидуса являются естественными барьерами, дальше которых изменение состава системы в связи как с кристаллизацией, так и с плавлением принципиально невозможно. Это очевидно для двух- и трехкомпонентных систем, фазовые отношения которых наглядно изображаются на диаграммах, но справедливо и для более сложных - с любым числом компонентов.

Указанные принципы легли в основу теории кристаллизационной (фракционной) дифференциации Н.Л.Боуэна. Она получила огромную популярность и широкое признание.

Многие эмпирически установленные особенности геохимии (концентрации или рассеяния) редких элементов в магматических сериях находят объяснение в их фракционировании в ходе кристаллизационной дифференциации. В основе таких моделей лежат экспериментальные данные о последовательности кристаллизации минералов из магмы и о коэффициентах разделения редких элементов между расплавом и выделяющимися минералами. Напомним, что под коэффициентом разделения понимается отношение концентрации элемента в минерале к его концентрации в равновесном расплаве. По величине коэффициента элементы часто делят на совместимые (compatible), которые преимущественно входят в твердую фазу и имеют К_Р > 1, и несовместимые (incompatible), которые накапливаются в расплаве по мере кристаллизации и имеют К_Р < 1. Рассмотрим в качестве примера главные особенности геохимии редкоземельных элементов в магматических сериях.

В целом происходит накопление всех редкоземельных элементов (как несовместимых) в остаточных расплавах, которое фиксируется в увеличениях их содержаний (как валовых в породах, так и в одноименных минералах) от ранних членов серий к поздним, от основных пород к кислым. Оно объясняется тем, что в равновесиях с расплавом концентрация редкоземельных элементов в большинстве породообразующих минералов в десятки и сотни раз ниже, чем в расплаве; лишь для клинопироксена и роговой обманки коэффициенты разделения минерал / расплав приближаются к единице.

В силу резких различий коэффициентов разделения темноцветные и акцессорные минералы относительно обогащены тяжелыми лантаноидами, в то время как светлоцветные - относительно легкими. Поэтому процесс дифференциации ведет к эффекту разделения лантаноидов. На ранних стадиях это возрастание отношения цериевой (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd) группы к иттриевой (Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) в последовательно образующихся продуктах дифференциации магмы. Преобладание кристаллизации полевых шпатов на более поздних стадиях дифференциации, когда формируются сравнительно кислые члены магматических серий, приводит к рассеиванию легких лантаноидов в кристаллических решетках и обогащению остаточного расплава тяжелыми, т.е. к инверсии состава редкоземельных элементов.

По своим химическим свойствам европий заметно отличается от других редкоземельных элементов. При обычных для земной коры условиях он встречается не только в 3-хвалентном, но и в 2-хвалентном состоянии, последняя форма изоморфно замещает Са в плагиоклазе. Kоэффициент разделения плагиоклаз / расплав для Eu больше, чем для соседних Sm, Gd в 2.3 раза для высоких и в 13.3 раза - для низких температур. С этим связано избирательное накопление Eu в породах ранних этапов кристаллизации. В поздних фазах дефицит европия - характерная особенность серий фракционной кристаллизации, что показано как для кислых комагматичных серий, так и для базальтоидных, включая и агпаитовые щелочные массивы.

Фракционная кристаллизация объясняет очень многие особенности петрохимической и геохимической эволюции природных магматических серий. Однако, уже современники Н.Л.Боуэна находили противоречия между его стройной концепцией и наблюдаемыми в природе фактами. Оказалось, что в природных горных породах могут реализоваться несколько иные реакционные серии минералов и нарушиться выведенные тренды дифференциации. В последующие годы число противоречий значительно возросло. Стало ясно, что падение температуры не является единственным фактором кристаллизационной дифференциации, а в некоторых случаях необходимо учитывать и принципиально иные механизмы эволюции состава магм.

Наиболее очевидной причиной несоответствия физико-химического базиса природным отношениям является рассмотрение процессов кристаллизации только при атмосферном давлении. Действительно, геологические и геофизические данные указывают на связь состава магм и характера их кристаллизации с глубиной зарождения или становления. Одно из главных направлений развития концепции было связано с учетом влияния давления.

Рис. 5. Зависимость изменения температур плавления минералов и горных пород от давления в сухих системах.

Экспериментально установлено, что температуры плавления минералов с увеличением давления почти всегда возрастают: dT_пл/dP > 0. Наиболее известное исключение - лед, а из породообразующих минералов - лейцит. Величины производной неодинаковы для разных минералов (рис. 5), что приводит к смещению эвтектических составов в сторону минерала, для которого dT/dP меньше. При этом расширяется поле кристаллизации минерала, у которого величина производной больше. Это можно проследить на примере уже рассмотренной системы диопсид-анортит (рис. 2). Возрастание температуры плавления диопсида с увеличением давления больше, чем для анортита. Поэтому эвтектическая точка, являющаяся границей полей кристаллизации диопсида и анортита смещается от 45% анортита при 1 атмосфере до почти 60% - при 9 кбар.

Для систем, отвечающих по составу реальным горным породам, при возрастании давления в составе эвтектик возрастает отношение К/Na в силу более высокого значения dT_пл/dP альбита и сменяющего его при высоких давлениях жадеита по отношению к величине производной для лейцита и калиевого полевого шпата. В то же время у выплавляющихся в глубинных условиях магм возрастает и отношение Mg/Fe, т.к. шпинель и гранат, появляющиеся на ликвидусе при высоких давлениях, имеют наибольшее из всех магнезиально-железистых минералов сродство к железу, что расширяет их поля устойчивости. Такие же закономерности прослеживаются и по глубинам магматических очагов от океана к континенту. Наибольшей калиевой щелочностью и магнезиальностью обладают пироповые алмазоносные ультраосновные породы - кимберлиты - самые глубинные гипербазиты внутриконтинентальных рифтов.

При возрастании давления инконгруэнтный характер плавления энстатита, калиевого полевого шпата и пиропа сменяется конгруэнтным; наоборот, анортит начинает плавиться с разложением, давая корунд, а альбит вообще не стабилен при высоких давлениях. При очень высоких давлениях фазовые отношения изменяются в силу ряда фазовых переходов, а также реакций разложения альбита на жадеит и кварц; анортита - на гроссуляр, кварц и кианит; энстатита - на шпинелеподобную модификацию Mg2SiO4 и стишовит и т.д.

Рис.6. Диаграммы ликвидусных отношений в системе Mg2SiO4-NaAlSiO4-SiO2 при атмосферном давлении (а) и при давлении 30 кбар (б).

Для условий высоких давлений вследствие указанных причин не применима боуэновская последовательность кристаллизации, а потому процессы дифференциации имеют существенно иные закономерности. Одним из самых важных следствий таких изменений является образование новых температурных барьеров, ограничивающих пределы возможных составов при фракционной дифференциации. Яркий пример дает система Mg₂SiO₄ - SiO₂ - NaAlSiO₄ (рис. 6). При низких давлениях (6а) высокотемпературный барьер форстерит - альбит четко делит систему на нефелин- и кварцнормативную области. В пределах каждой из них имеются свои тренды дифференциации с изменением составов расплавов, но пересечение барьера вследствие отделения кристаллов невозможно. Из составов, относящихся к заштрихованной области, кристаллизуется форстерит, который в результате реакции с расплавом замещается энстатитом, к последнему при понижении температуры присоединяются альбит и тридимит. Тренд изменения состава расплава направлен в сторону эвтектики трех последних минералов. При высоких давлениях энстатит плавится конгруэнтно, а вместо альбита устойчивы жадеит с кварцем. Система делится уже барьером энстатит - жадеит (6б), и при кристаллизации смещение состава того же исходного расплава направлено уже в сторону температурного минимума с участием нефелина и клинопироксенов, содержащих жадеитовую составляющую. Таким образом, один и тот же состав в зависимости от давления может дифференцироваться с образованием как кварц-, так и нефелин-нормативных продуктов, что совершенно невозможно при постоянном давлении.

Еще с середины прошлого века в качестве весьма эффективного механизма дифференциации магмы предлагалась ликвация, т.е. расщепление магмы на несмешивающиеся жидкости. Экспериментальные исследования при атмосферном давлении показали, что жидкостная несмесимость имеет место в ряде силикатных систем, таких как CaO-SiO₂, MgO-SiO₂ и FeO-SiO₂, однако все они далеки по составу и температурам плавления от природных горных пород. Введение в эти системы даже небольших количеств щелочей и глинозема приводит к выклиниванию областей несмесимости. В концепции Н.Боуэна поэтому роль ликвации как механизма дифференциации практически полностью отрицалась. Обнаружение Э. Реддером в 1951 г. обширной области несмесимости расплавов в системе K₂O-FeO-Al₂O₃-SiO₂ (рис. 7) при геологически реальных составах и температурах привело к возрождению ликвационной гипотезы. Позднее в базальтах лунных морей, доставленных "Аполлоном-11", были найдены стекла, отвечающие по составу сосуществующим расплавам этой системы: богатым железом - основным и богатым калием - кислым.

Рис.7. Диаграмма ликвидусных отношений системы лейцит - фаялит - SiO2

Проведенные в последние 20 лет экспериментальные исследования разнообразных силикатных систем подтвердили существование ликвации в магмах при геологически реальных составах и температурах. Согласно наблюдениям над природными объектами, ликвация чаще всего приводит к образованию сосуществующих сиалического щелочноалюмосиликатного и мафического расплава, обогащенного Fe, Mg, Ca и Ti. Примерами контрастных ассоциаций считается развитие базальтов и липаритов в офиолитовых поясах, феррогаббро и гранофиров в верхних частях расслоенных интрузивов, базальтов и фонолитов, габбро и сиенитов, камптонитов и нефелиновых сиенитов. Особенно наглядно образование стекол контрастных (липаритового и трахитового и др.) составов в одном геологическом теле некоторых типов липаритов и игнимбритов. К подобным объектам относятся вариолиты. Экспериментальные исследования показали, что появление разрывов смесимости жидкостей часто связано с относительно небольшими добавками в обычные алюмосиликатные системы таких компонентов как F, B, CO₂, Fe, Ti, P, S. Это следует из формы линий ликвидусов некоторых силикатных систем, которая позволяет предполагать, что если температуру ликвидуса понизить путем добавки дополнительных компонентов, можно будет обнаружить разрывы смесимости в ряде петрологически важных систем.

Расслоение расплавов часто наблюдается при изучении расплавных включений в минералах. Во включениях основного состава нередко наблюдаются сульфидные глобули в силикатной матрице. При нагреве таких включений сульфидная жидкость постепенно растворяется в силикатной, что связано со сближением их составов при увеличении температуры. Помимо сульфидно-силикатной, наблюдается также, хотя и реже, оксидно-силикатная, карбонатно-силикатная и силикатно-силикатная несмесимость.

Ликвационные отношения в природных образцах дискуссионны, образование контрастных составов может быть связано, например, с замедленной диффузией между двумя независимо образовавшимися вязкими расплавами при их смешении. Критерии достоверности расслоения разработаны на основе экспериментальных исследований. Несмесимость проявляется в образовании капель (глобулей) одного расплава в другом (преобладающем и слагающем их матрицу). Глобули могут сливаться, образуя "гантели", укрупняться с увеличением длительности эксперимента, вплоть до образования слоев несмешивающихся расплавов. Границы между двумя породами, образовавшимися из несмешивающихся расплавов, резкие и прямолинейные или плавные (без углов). Поскольку расплавы глобулей и матрицы при понижении температуры кристаллизуются, формы границ этих двух сред не определяются ограничениями образующихся кристаллов, а, наоборот, последние приспосабливаются к уже имеющимся границам. Необходимой является однородность состава матрицы и глобулей. Составы, фигуративные точки которых находятся на одной конноде, соединяющей сосуществующие расплавы, отвечают идентичным составам жидких фаз при меняющихся количественных их соотношениях.

Важнейшие критерии обратимости жидкофазного расслоения - независимость от предыстории процесса и характера исходных материалов, согласованность результатов, полученных при подходе к равновесию с разных сторон (от соседних составов и температур). Как бы ни различались по составу сосуществующие расплавы, кристаллизация из них одного и того же минерала происходит синхронно, а его составы в обеих средах - одинаковы. В этих случаях должно быть обычным пересечение ими границ сосуществующих жидкостей.

Поведение как главных породообразующих, так и второстепенных элементов при фракционной кристаллизации и в случае ликвационных отношений часто существенно различается. Так в лунных базальтах фосфор концентрируется при магматическом расщеплении в высокожелезистом расплаве (позже это было подтверждено экспериментально), тогда как при фракционной кристаллизации земных базальтов он, наоборот, накапливается в остаточных гранитных расплавах.