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

Важным моментом понимания магматических процессов является несоответствие составов расплавов и кристаллизующихся из них горных пород. В первую очередь несоответствие касается летучих компонентов, в особенности воды. Об участии этих компонентов в магматических процессах свидетельствуют выделения газов и взрывные явления при извержениях, кристаллизация из магм минералов, содержащих в своем составе летучие компоненты, наличие флюидных включений (наряду с расплавными) в минералах и стекле магматических пород. В настоящее время для всех геологов очевидно, например, что пегматиты кристаллизуются из расплава, наиболее обогащенного летучими компонентами, хотя они почти полностью сложены безводными силикатами (кварцем и полевыми шпатами). Между тем еще в первой половине ХХ столетия это очевидное положение нужно было доказывать.

Рис. 8. Зависимость растворимости Н2О в различных расплавах от давления воды (по М.Б.Эпельбауму).

Изучение поведения летучих компонентов в расплавах началось в 30-е годы с работ Р.Горансона по измерению растворимости воды в расплавах. Эти исследования способствовали решению сразу нескольких фундаментальных петрологических проблем. Величина растворимости воды в некоторых силикатных расплавах достигает 9-12 мас.%. Это очень большие величины. В связи с низким значением молекулярной массы максимальные содержания воды, выраженные в молекулярных процентах, превышают 50% (рис. 8). В магме интрузий, имеющих протяженность до нескольких десятков километров и мощность в несколько километров, при таких концентрациях растворено достаточно воды, чтобы обеспечить всю связанную с ними послемагматическую гидротермальную деятельность. После кристаллизации вода и другие летучие компоненты дают начало гидротермальным растворам, с которыми связано образование руд и метасоматических изменений вмещающих пород.

Самая высокая растворимость воды - в расплавах силикатов и алюмосиликатов щелочей, а из природных магм - в гранитных и сиенитовых. По мере возрастания основности расплавов растворимость воды в них падает. Растворимость воды в расплавах сильно увеличивается с ростом давления, влияние же температуры незначительно: с ее ростом растворимость несколько понижается.

Растворимость в расплавах других летучих компонентов заметно ниже, чем воды. Для углекислоты она колеблется от 0,5 до 4 мас.% (1 - 8 мол.%), для инертных газов, азота, кислорода и водорода - еще ниже.

Второй существенный результат определения растворимости воды - это то, что она не беспредельна, а следовательно, самой природой установлена естественная граница между расплавами и водными растворами, что послужило основой критики известной модели Ниггли-Ферсмана кристаллизации пегматитов из расплавов-растворов, имеющих промежуточный состав между теми и другими. Следствием ограниченной растворимости является отделение от магмы флюида при понижении температуры (ретроградное кипение). При кристаллизации силикатных расплавов летучие компоненты практически не входят в состав образующихся минералов и накапливаются в остаточном расплаве, а при достижении предела насыщения отделяются от него в виде самостоятельной флюидной фазы. Подобные явления составляют важную часть процессов кристаллизационной дифференциации, особенно для гранитных магм. Они не приводят к таким значительным изменениям валового химического состава пород, как это было рассмотрено для магм основного состава при отделении кристаллов, но дают не менее существенные петрологические следствия. Именно флюидная фаза, находящаяся в равновесии с магмой, обеспечивает прогрев и метаморфизм вмещающих пород, химическое взаимодействие магм с ними (явления ассимиляции и магматического замещения) и вызывает метасоматоз магматической стадии. В дальнейшем она дает начало послемагматическим гидротермальным растворам.

Прямое определение состава магмы и условий кристаллизации расплавов стало возможным в результате развития методов изучения расплавных включений в минералах, которые представляют собой реликты магматического расплава, захваченные минералами во время их роста. В термометрических экспериментах, проводимых с расплавными включениями, непосредственно наблюдают за фазовыми превращениями, происходящими внутри включения. Специальные малоинерционные экспериментальные установки позволяют производить мгновенную закалку образца в любой момент проведения эксперимента. После закалки изучают составы фаз во включении (стекло, кристаллы, флюид), что позволяет с хорошей точностью определять фазовые отношения во время эксперимента. Как правило, изучают природные расплавные включения, хотя имеются примеры работ по применению искусственных расплавных включений при изучении экспериментальных фазовых диаграмм. Преимущество данного метода заключается в непосредственном визуальном наблюдении фазовых превращений, возможности в одном опыте достичь равновесия "снизу и сверху" (т.е. при повышении и при понижении температуры), возможности моментальной закалки образца в момент фазового превращения.

Рис. 9. Изменение температуры плавления диопсида (а) и альбита (б) с увеличением давления без летучих, а также в присутствии флюида, состоящего из воды и углекислоты.

Отделение флюидной фазы фиксируется в зональном распределении включений во вкрапленниках некоторых изверженных пород. В их центральных частях имеются только расплавные, а в краях - наряду с ними - сингенетичные флюидные включения. В закаленных стеклах расплавных включений определяют непосредственно, используя соответствующие локальные методы анализа. Криометрические и термометрические эксперименты с флюидными пузырьками внутри расплавных включений, в частности наблюдения за кинетикой растворения пузырька в силикатной жидкости, позволяют косвенно (но менее трудоемко) оценить содержания летучих компонентов.

Следующим важным результатом растворения летучих компонентов в расплаве является то, что оно приводит к существенному понижению температуры плавления, измеряемому десятками градусов на килобар. Эффект понятен из принципа Ле-Шателье: увеличение давления летучего компонента расширяет поле стабильности фазы (в данном случае расплава), в состав которой он входит. Как и ожидалось исходя из максимальной растворимости воды в щелочных алюмосиликатных расплавах, понижение температуры плавления наиболее значительно (до 200^о на 1 килобар давления воды) для гранитов и нефелиновых сиенитов. Этот эффект складывается с рассмотренным выше повышением температур плавления под действием одного гидростатического давления. Наглядно это можно проследить для диопсида и альбита (рис. 9, а и б). На рисунках видно, что возрастание давления углекислоты приводит к увеличению температуры плавления для этих минералов, но в меньшей мере, чем просто от давления (без влияния растворения летучих компонентов). Как видно на рисунках, под давлением смесей воды и углекислоты зависимость усложняется, имеются минимумы температуры плавления при давлениях 6-8 килобар.

Рис. 10. Зависимость изменения температур плавления минералов и горных пород от давления при избытке воды.

Снижение температуры плавления под давлением летучих неодинаково для разных минералов (рис. 10), что ведет к смещению температурных минимумов в сторону минералов с наибольшей величиной производной dT_пл/dP (например, для эвтектики диопсид-анортит - в сторону анортита - рис. 2, и для минимума в упрощенной гранитной системе - в сторону альбита - см. ниже рис. 11). В ряде случаев меняется сам характер плавления: калиевый полевой шпат начинает плавиться конгруэнтно, а минимум в упрощенной гранитной (кварц-альбит-ортоклаз) системе становится эвтектическим.

Открытие значительного снижения температур плавления вследствие растворения летучих компонентов имело большое петрологическое значение. Стала понятной возможность генерации гранитных расплавов в условиях амфиболитовой фации регионального метаморфизма и изофациальность гранитов и мигматитов с вмещающими метаморфическими толщами. Образование гранитов упрощенно моделируется системой KAlSi₃O₈-NaAlSi₃O₈-SiO₂ (рис. 11). В этой системе поля кристаллизации кварца и полевых шпатов разделены котектическими линиями. В сухих условиях и при низких давлениях воды при температурах ликвидуса устойчив непрерывный ряд твердых растворов щелочных полевых шпатов. Средняя часть этого ряда обладает минимальными температурами плавления, вследствие чего поле кристаллизации полевых шпатов разделено примерно пополам "термальным трогом", на пересечении которого с котектикой (линией их совместной кристаллизации с кварцем) находится тройной минимум - наиболее низкоплавкий состав системы. При возрастании давления воды температуры плавления снижаются, а точка тройного минимума закономерно смещается в сторону альбитового угла. Начиная с РН₂О=3,6 кбар ликвидус достигает температуры сольвуса (линии, отделяющей поле однородного твердого раствора K-Na полевых шпатов от поля существования двух кристаллических фаз - преимущественно натриевой и калиевой) полевых шпатов, и минимум становится тройной эвтектикой. Нанесенные на эту диаграмму фигуративные точки составов гранитов группируются вблизи температурных минимумов при РН₂О около 0,5 или 1 кбар. Изолинии плотности фигуративных точек отрисовывают температурный трог между твердыми растворами альбита и ортоклаза. Такие совпадения не могли быть случайными. Они несомненно свидетельствуют о магматическом генезисе гранитов. Их открытие положило конец глобальной дискуссии 40-х годов по проблеме генезиса гранитов между "магматистами и трансформистами". Последнее направление, в котором отстаивался метасоматический генезис гранитов перестало существовать, хотя факты, на которые они опирались, остались и требовали нового понимания.

Экспериментальные данные о температурных минимумах и растворимости воды в гранитной системе при различных давлениях и содержаниях других летучих компонентов приведены в приложении.

Объективные данные об образовании гранитов в глубинных условиях путем замещения вмещающих метаморфических толщ и инфильтрационном характере такого замещения, которые подчеркивались в работах трансформистов, были учтены в гипотезе гранитизации, понимаемой в настоящее время как магматическое замещение. Замещение кристаллических горных пород магмой происходит в силу приближения их состава к гранитному, имеющему минимальную температуру плавления при данных внешних условиях. Изменение химического состава системы приводит к тому, что его фигуративная точка попадает в область стабильного существования расплава. Процесс может стимулироваться градиентами температуры. Однако вполне реально его осуществление в изотермических условиях исключительно вследствие привноса во вмещающие породы компонентов, которых в них недостает по сравнению с гранитным составом (в большинстве случаев кремнезема и оксидов натрия и калия), и выноса из них тех, которые находятся в избытке (прежде всего, кальция, магния, железа). Этот процесс существенно отличается от плавления при повышении температуры и во многих отношениях аналогичен метасоматозу. Наиболее точно его называть именно магматическим замещением. Важнейшую особенность как метасоматоза, так и магматического замещения составляет образование реакционной зональности, обладающей рядом закономерностей строения, рассмотренных ниже. Главное отличие такой зональности от метасоматической - это появление в составе реакционных образований (мигматитов) наряду с кристаллическими фазами - минералами, также жидкой фазы - расплава. Экспериментально такие колонки получены как в системах далеких от природных, при взаимодействии техногенных расплавов с огнеупорами (см. соответствующую главу в части III книги), так и при взаимодействии гранитного расплава с породами различной основности в условиях, близких к природным, при 800⁰ С и PН₂О = 1 кбар.

Альтернативой указанному процессу может служить анатектическое (парциальное) плавление, т.е. генерация наиболее низкотемпературного для данных условий расплава при прогреве вмещающих пород различного состава. Эти два механизма выглядят реальными для возникновения гранитных магм в земной коре. Критерии их отличия выявлены при экспериментальных исследованиях.

При частичном плавлении субстрата большинства пород образующийся расплав по сравнению с ними богаче кремнеземом, оксидами K, Na, содержит меньше СаО и других основных компонентов, имеет более высокое отношение Fe/Mg. В результате в самом субстрате образуются реститы (остатки от плавления), валовой состав которых отличается от субстрата комплементарно, т.е. в противоположную сторону по сравнению с приведенными отличиями выплавок. Такие же тенденции выявляются по замещениям одних минералов другими и в изменениях состава минералов по зональности их зерен. Биотиты замещаются амфиболами, роговые обманки - пироксенами, темноцветные минералы окружаются более магнезиальными каймами, а плагиоклаз - повышает свою основность к краям. Все эти тенденции противоположны тому, что наблюдается обычно в зонах мигматизации.

Рис.12. Противоположная направленность изменения содержаний кальция в гранате на первичном контакте (вертикальная линия) амфиболита и пелитового сланца в опыте, моделирующем анатексис на контакте этих пород (10 кбар и 9500С, 148 ч).

В отличие от частичного плавления в закрытой системе инфильтрационное магматическое замещение сопровождается односторонним привносом и выносом вещества, приближающим валовой состав исходных пород к составу воздействующего гранита. При этом происходит замещение пироксенов амфиболами, амфиболов биотитом, увеличение железистости всех темноцветных минералов, образование обычной прямой зональности плагиоклазов. При этом полностью отсутствуют комплементарные явления.

Другой критерий следует из неоднородности метаморфического субстрата. Обычно считается, что гранитный минимум является составом первой выплавки почти для любых пород. Как показывают эксперименты, это верно лишь в первом приближении и выполняется в основном для генетически связанных между собой пород. У продуктов разной степени (интенсивности) одного и того же процесса гранитизации первые выплавки действительно близки по температуре и составу. Для случайного набора метаморфических пород минимумы заметно отличаются, особенно сильно влияет на это агпаитность, т.е. отношение глинозема к сумме щелочных металлов. Поэтому при анатексисе неизбежно образование неоднородных расплавов. В опытах, моделирующих анатексис на контактах двух контрастных пород, расплав выплавляется при более низкой температуре, чем для каждой из них в отдельности, при этом изменение состава зерен минералов по разрезу экспериментальной колонки в контактирующих породах подчас прямо противоположна (рис. 12).

Рис. 13. Схема опытов по образованию эвтектических расплавов на изолированных зернах минералов при воздействии на них флюидов.

Эксперименты по плавлению пород, сходные по методике проведения, в конкретных случаях могут, таким образом, моделировать либо анатектическое плавление, либо восстанавливать локальное равновесие в одной из зон магматического замещения. Нагревание в присутствии флюида случайного набора метаморфических пород обычно относится к первому случаю. В каждой из них возникают зональные зерна темноцветных минералов с магнезиальными каймами и плагиоклазов - с более кальциевыми оторочками. В разных породах состав выплавки при одинаковых температурах опытов заметно различается. Во втором случае никакой новой зональности зерен не возникает, а выплавки имеют близкий состав во всей группе пород.

При гранитизации привнос в субстрат компонентов, недостающих до эвтектического состава, и вынос - избыточных по отношению к нему - осуществляется флюидами. Зарождение расплава на поверхности любого из минералов, входящего в эвтектику, моделировалось в опытах, подобных изображенному на рис. 13. Составы расплавов, полученных на разных затравках при одинаковых внешних условиях близки. При PH₂O = 1 кбар нормативный состав расплава, образующегося на затравке альбита (L₁): Ab = 36,1; Or = 24,0; Qtz = 39,3; а на затравке ортоклаза (L₂): Ab = 37,4; Or = 24,6; Qtz = 38,0. Соответственно при PH₂O = 5 кбар состав (L₁): Ab = 47,0; Or = 24,1; Qtz = 28,9; а (L₂): Ab = 48,9; Or = 23,0; Qtz = 28,1.

Рис. 14. Сосуществующие составы исходного (залитые знаки) и растворенного (полые знаки) вещества в опытах по растворимости: 1 - энстатита, 2 - перидотита и флогопитового перидотита, 3 - базальта, 4 - флогопита.

Составом воздействующего флюида можно в известных пределах менять состав и пути кристаллизации образующегося расплава - явление, обозначаемое как флюидно-магматическая дифференциация. Процессы гранитизации являются резко неравновесными по отношению к вмещающим породам, они могут быть вызваны агрессивными флюидами. Возникает вопрос о происхождении последних. Экспериментальные исследования показали, что они могут иметь мантийное происхождение. При возрастании давления выше 10 кбар растворимость "мантийного вещества" (компонентов перидотита, базальта, энстатита, флогопита) в водном флюиде резко возрастает и достигает десятков мас. %. Растворение этого вещества имеет инконгруэнтный характер: находящийся в равновесии с ним флюид резко обогащен кремнеземом и щелочами (рис. 14) и такими литофильными элементами как Rb, Li, REE. В верхних горизонтах земной коры снижение температуры и давления вызывает уменьшение растворимости кремнезема и щелочей и в силу этого начало процесса гранитизации. Эксперименты, моделирующие обогащение флюидов кремнеземом, щелочными металлами при высоких давлениях и активное воздействие этих компонентов флюидов на породы при декомпрессии также были успешно осуществлены.