Моделирование фазовых равновесий при кристаллизации базальтовых магм

Согласно современным представлениям, базальтовый магматизм играет ключевую роль в формировании и эволюции внешних оболочек планет земного типа (Флоренский и др., 1981). На это указывают: (1) оценки объема первичного материала земной коры, в котором важную роль играют компоненты основного состава (Кременецкий А.А., Овчинников Л.Н., 1986; Ярошевский, 1986; Тэйлор, Мак-Леннан, 1988); (2) преобладание продуктов кристаллизации базальтовых магм среди морских и материковых лунных пород (Барсуков и др., 1979); (3) существенно "базальтовый" состав пород поверхности Венеры (Сурков, 1985) и Марса (Rieder et al., 1997) и (4) представительная коллекция ахондритовых метеоритов, состав и структуры которых оставляют мало сомнений в их изверженном происхождении (Duke, Silver, 1967). Данные изотопно-геохимических исследований некоторых образцов лунных материковых пород и базальтоидных ахондритов указывают на весьма древние возраста их кристаллизации - более 4.2-4.5 млрд. лет (Папанастасиу, Вассербург, 1979; Dodd, 1981). Это позволяет предполагать, что процессы магматической дифференциации стартовали на самых ранних стадиях эволюции планетных тел, возможно еще в период их аккреционного роста (Сафронов и др., 1978; Hewins, Newsom, 1988).

В пользу ранней магматической дифферециации говорит не только разнообразие составов изверженных пород и метеоритов с древними возрастами кристаллизации, но также множество дифференцированных астероидов, которые установлены по данным дистанционного зондирования. Результаты анализа спектров отражения тел из пояса астероидов, имеющих размер более 10 км, позволяют отождествить материал их поверхности со всеми известными типами метеоритов, включая базальтоидные ахондриты (Gaffey et al., 1993). Это подразумевает, что многие астероидальные тела также прошли в своей истории через стадию полного или частичного плавления.

Таким образом, проблемы зарождения и эволюции основных магм не случайно занимают центральное положение в земной магматической петрологии и геохимии и постепенно выходят на первый план космохимических исследований (Рябчиков, Вэнке, 1996; Рябчиков, 1997).

Учитывая направленность работы и разнообразие рассмотренных магматических объектов, нам не обойтись без конкретизации понятия магмы и магматического расплава. В справочной литературе можно найти такое определение: "магма - расплавленная огненно-жидкая масса (чаще силикатная, хотя может быть сульфидной и др.), возникающая в земной коре или верхней мантии и дающая при застывании магматические горные породы" (Геологический словарь, 1978). Это определение включает 3 фактора, которые акцентируют внимание на особенностях состава, агрегатного состояния и породообразующей роли магм в геологических процессах. Геологическое значение магм носит принципиальный характер и его подчеркивают большинство исследователей. Определенные расхождения имеются в отношении фазового состава и реологических свойств этих сложных природных образований. Ю.А.Кузнецов (1990) подчеркивал, что магмы могут представлять физически гомогенные (силикатный расплав растворенные летучие) или чаще гетерогенные (расплав+кристаллы) системы, "ведущим признаком которых является текучесть в массе, что достигается при содержании в смеси 25% жидкости". Современные дискуссии об агрегатном состоянии магм касаются допустимых пропорций кристаллов и расплава (см. обзор Sinton et al., 1992), которые непосредственно связаны с "жидкотекучестью" (Шарапов и др., 1997).

Гетерогенность фазового состава магм выражается в неравномерном распределении кристаллического вещества от границ полного затвердевания (стенок магмовода или границ магматической камеры) вглубь основного объема магматической системы, что позволяет разделить ее как минимум на две области. Вблизи поверхности солидуса формируется зона c низким содержанием расплава, заполняющего пространство между кристаллами, которые образуют неразрывную систему, касаясь углами и/или гранями (так называемая область rigidus - Sinton et al., 1992). По некоторым реологическим свойствам эта смесь ведет себя подобно твердому веществу, хотя и не теряет свойств пластичности. По мере уменьшения доли кристаллического материала зона "ригидуса" переходит в область "кристаллической каши", а затем взвеси или магматической суспензии, которая содержит менее 25% твердой фазы (Marsh, 1989a). По мнению ряда исследователей реологическая граница между "ригидусом" и "кристаллической кашей" отвечает резкому, на несколько порядков, скачку динамической вязкости и содержанию кристаллического материала около 50-60 об.% (Bergantz, 1990; Шарапов и др., 1997). Эту величину было предложено называть предельной кристалличностью магмы (critical crystallinity - Marsh, 1989a).

Таким образом, говоря о магмах в этой книге мы будем подразумевать гетерогенные силикатные системы с содержанием отдельных кристаллов и/или их сростков ниже предельно допустимой кристалличности. Жидкую часть магмы будем называть магматическим расплавом. В случае перегретости (отсутствия взвешенной твердой фазы) валовый состав магмы отвечает составу силикатной жидкости.

Боуэн, очевидно, был первым, кто ясно и последовательно сформулировал главную проблему магматического петрогенезиса как "проблему разнообразия изверженных горных пород", основные положения которой и в наши дни звучат не менее актуально, чем в первой трети 20-го столетия (Боуэн, 1934; Браун, 1983). Во-первых, он указал на важность выделения пространственных ассоциаций магматических пород, имеющих один и тот же геологический возраст. Во-вторых, привел ряд наблюдений, свидетельствующих в пользу непрерывного характера изменений минералогических и химических параметров внутри выделенных ассоциаций, члены которых обычно "относятся друг к другу, как члены одной серии".

Пространственная локализованность, единое время образования и наличие монотонных изменений состава по мнению Боуэна указывали на "общность происхождения" изверженных пород. В качестве "первопричины" этой общности было предложено рассматривать два фактора - наличие общей для выделенной ассоциации исходной (или родоначальной - parental) магмы и некоторых самопроизвольных процессов, определяющих ее эволюцию и получивших название процессов дифференциации. В качестве главного механизма дифференциации магмы Боуэн рассматривал фракционную кристаллизацию, включающую сопряженные процессы кристаллизации и удаления (изоляции) образованных кристаллов по мере остывания магматического расплава.

Следует заметить, что говоря о механизме фракционной кристаллизации, Боуэн подразумевал не столько конкретный физический процесс, сколько специфику его протекания, связанную с разделением расплава и кристаллических фаз и приводящую к определенным химическим последствиям -фракционированию. В качестве реальных механизмов, инициирующих фракционирование, предполагалось гравитационное разделение (напр., оседание кристаллов в магматической камере), отжим расплава из зоны кристаллизации (фильтр-прессинг) и локальное исключение твердых фаз из равновесия с объемом остаточного расплава¹ .

Физико-химическим основанием для гипотезы фракционирования магмы явились экспериментальные данные по фазовым диаграммам простых силикатных систем, приближающихся по составу к базальтам (Di-An) и учитывающих присутствие минералов - твердых растворов, например Di-An-Ab (Боуэн, 1934). Анализ этих диаграмм указывал на определенные аналогии между изменениями фазового состава и составов фаз при кристаллизации силикатных систем и вариациями минерального и химического состава в породах магматических серий. Эти аналогии включают: (1) согласованность смены природных минеральных парагенезисов с порядком кристаллизации в силикатных системах; (2) однонаправленность эволюции составов природных и экспериментально полученных минеральных фаз от высокотемпературных (тугоплавких) к низкотемпературным (легкоплавким); (3) обогащенность SiO₂ конечных членов природных ассоциаций изверженных пород и остаточных расплавов, отвечающих низкотемпературным котектикам и эвтектикам простых силикатных систем.

Применимость гипотезы фракционной кристаллизации Боуэн продемонстрировал на примере петрологического материала, имеющегося по наиболее изученным в то время базальтовым провинциям, в частности острова Малл, Гебридские о-ва (Baily et al., 1924) и риолит-базальтовой серии вулкана Катмай на Аляске (Fenner, 1926).

Предложенная Боуэном концепция затрагивала основные проблемы магматического петрогенезиса, претендуя на роль универсального объяснения причины разнообразия изверженных пород, что не могло не вызвать активной дискуссии практически по всем ее главным направлениям. Основной критике были подвергнуты представления о возможности формирования средних и кислых пород в процессе фракционирования базальтовой магмы (Левинсон-Лессинг, 1934). Указывалось на то, что результаты экспериментальных исследований безжелезистых силикатных систем не корректно переносить на реальные магматические расплавы (Fenner, 1929). Кроме того, геологические данные по расслоенным интрузивам скорее свидетельствуют об обеднении магм SiO₂ на фоне обогащения железом, чем эволюцию по линии накопления кремнезема (Wager, Deer, 1939). Отмечалось, что спектр возможных физических механизмов разделения и эволюции вещества в магматическом процессе гораздо шире, чем допускал Боуэн (Левинсон-Лессинг, 1934; Маракушев, 1988). Другая сторона вопроса состоит в том, что базальтовой магмы как единого и универсального источника изверженных пород не существует. Количество магматических серий и ассоциаций (соответственно возможных родоначальных магм), изученных петрологами к настоящему времени возросло на столько, что потребовалось вводить специальные схемы классификации, основанные на разнообразных сочетаниях петрохимических, геохимических и минералогических критериев (Магматические горные породы..., 1987).

Не трудно заметить, что эти проблемы лежат, главным образом, в области фазовых равновесий (оценок направленности эволюции состава магматических расплавов) и геологических наблюдений, которые являются основным критерием любой петрогенетической концепции. Как отмечал сам Боуэн, предположение о базальтовом или небазальтовом составе исходной магмы носит второстепенный характер и "не является настолько определяющим, что вся гипотеза происхождения различных типов горных пород путем фракционной кристаллизации была бы разрушена до основания в случае опровержения первичной природы базальтовой магмы". Справедливость этого предвидения доказывается огромным экспериментальным и геологическим материалом, который накоплен в петрологии.

В наши дни вряд ли кто из петрологов согласится с мнением, что в магматических сериях не наблюдается переходов между основными и кислыми породами, а "там, где такие переходные звенья как-будто и имеются, они обыкновенно оказываются ублюдковыми породами" (Левинсон-Лессинг, 1934, стр. 17). Известны десятки комагматичных толеитовых, известково-щелочных и щелочно-базальтовых серий, где андезиты и дациты наследуют петрохимические и геохимические признаки ассоциирующих с ними базальтоидов (Рис. 1.1).

К приведенным Осборном ассоциациям можно добавить ряд базальт-андезит-дацитовых серий Камчатки и Курильских о-вов (Фролова и др., 1985; Богатиков, Цветков, 1988; Озеров и др., 1997). Проявления кислых гранофиров характерны для некоторых интрузивных траппов Восточной Сибири (Соболев, 1936; Масайтис, 1958). Известно, что андезитовые и риолитовые лавы встречаются в ассоциации с плато-базальтами Декана (West, 1985), южной Бразилии (Corwin et al., 1986) и в других провинциях континетальных базальтов. Присутствие кислых гранофиров отмечается также для многих дифференцированных силлов и расслоенных интрузивов основного состава (Палисэйд, Бушвельд, Скергаард и др.) - см сводки (Уэйджер, Браун, 1970; Layered Intrusions, 1996).

Причины показанного на Рис. 1.1 резкого перегиба петрохимических трендов эффузивных серий и эволюции составов магм по линии накопления SiO₂ неоднократно обсуждались в литературе и определенно связаны с кристаллизацией магнетита (Осборн, 1983; Магматические горные породы..., 1987; Кадик и др., 1990). Это подтверждают данные по минеральному составу вулканитов и результаты экспериментальных исследований диаграмм плавкости для базальтов и андезитов в условиях заданной фугитивности кислорода (напр., Бабанский и др., 1983; Кадик и др., 1986).

Вопрос о происхождении кислых гранофиров в интрузиях основного состава менее ясен: некоторые авторы склонны рассматривать эти породы как результат ассимиляции базальтовой магмой материала вмещающих пород или относить к продуктам ликвации остаточного расплава на конечных стадиях остывания (McBirney, Nakamura, 1974; McBirney, Naslund, 1990). В Главе 4 будет рассмотрена дискуссия по этому вопросу и приведены аргументы в пользу возможности формирования диоритовых и гранофировых расплавов при внутрикамерной и докамерной дифференциации основных магм по кристаллизационному механизму.

Развитие методов экспериментального изучения фазовых равновесий привело к накоплению огромного массива данных по плавлению горных пород и синтетических силикатных систем. Особенно активно эти исследования проводились с начала 70-х годов, когда в практику вошло использование микрозондового анализа синтетических и природных минеральных фаз. Это привело к появлению в литературе большого количества данных по составам сосуществующих минералов и закалочных стекол. По нашим оценкам общее количество только субликвидусных высокотемпературных экспериментов составляет не менее 10 тысяч; такой же порядок имеет число микрозондовых анализов, характеризующих продукты экспериментов (см. раздел 2.2).

Эти данные составляют эмпирическую основу магматической петрологии и в настоящее время практически ни одна попытка генетической интерпретации природных ассоциаций вулканитов и интрузивных пород не обходится без привлечения тех или иных экспериментальных данных.

В контексте проблемы формирования "боуэновского тренда" (Рис. 1.1) отметим, что только по равновесию магнетит-расплав в распоряжении петрологов результаты более 200 экспериментов, проведенных при различных температурах, давлениях, летучести кислорода и охватывающих широкий диапазон составов - от базальтов до риолитов. Это позволяет утверждать, что ключевая проблема дифференциации базальтовой магмы из области дискуссий перешла в плоскость определения конкретных физических механизмов и условий фракционирования, при которых кристаллизация магнетита приводит к образованию средних и кислых расплавов². Важный результат экспериментальных работ состоит и в том, что на их основе сформировались новые направления магматической петрологии, такие как геотермометрия фазовых равновесий (Перчук, Рябчиков, 1976) и ЭВМ-моделирование дифференциации магм (см. обзор моделей в Главе 2 ).

Примечание: