Главная (Newsland) Естественные Науки против глупости, невежества и лжи Образование гранитов

22.03.2019 03:00

Образование гранитов

Граниты состоят на 60-65% из полевых шпатов: ортоклаза KAlSi3O8, альбита NaAlSi3O8, олигоклаза (Na,Ca)(Si,Al)4O8, а также кварца SiO2 – 25-35% и биотита – 5-10%. Граниты составляют около 77% объема всех магматических пород в верхней части континентальной земной коры. Для Земли характерно широкое распространение гранитных пород, что обусловлено сложным рециклингом преобразования горных пород земной коры – от магматических пород к осадочным, метаморфическим и снова к магматическим большей частью гранитного состава, после чего рециклинг может повториться. На других планетах Солнечной системы граниты, возможно существуют, но определенно в весьма небольших количествах ввиду слабой и простой тектонической деятельности, не способной поддерживать столь сложную эволюцию коры как на Земле.

Гранитные породы или гранитоиды, (к которым можно отнести еще гранодиориты, адамеллиты, кварцевые диориты, а также мигматиты и гранитогнейсы) формировались двумя путями: 1. Дифференциация первичной магмы основного состава на ультраосновную, основную, среднюю и кислую (гранитную) фракции; 2. Метасоматическая переработка без расплавления горных пород и тесно связанное с процессами метасоматоза явление анатексиса с расплавлением любых горных пород под действием магматических флюидов и внедрений магматических расплавов с образованием гранитоидов.

По-видимому второй путь является главным для гранитообразования, о чем в первую очередь свидетельствует незначительное присутствие гранитных пород в океанической коре и широкое распространение гранитоидов в континентальной коре главным образом в ее верхней и средней зонах и, возможно в нижней «базальтовой» коре, чье название условно и отвечает лишь сейсмическим признакам при геофизическом зондировании. Кроме того постоянное совместное присутствие гранитов с другими породами разного состава и генезиса также говорит в пользу второго пути.

Из экспериментальных данных вытекает следующий механизм образования вторичных гранитных магм – частичное плавление мелкообломочных осадочных кварц-полевошпатовых пород: песчаников, алевролитов и т.д., ранее образованных магматических пород и метаморфических пород существенно кислого состава: гнейсов и т.д.

Экспериментальные данные также подтвердили важную роль воды в формировании гранитных магм. Установлено, что безводные расплавы гранитного состава образуются при температуре не менее 950°С, тогда как природные гранитные магмы имеют начальную температуру 850-650°С. Источником воды в гранитном расплаве, могут быть гидроксилсодержащие минералы, главным образом слюды и амфиболы.

Источники гранитных магм, отвечающих по составу реально наблюдаемым породам, расположены в континентальной земной коре на глубине от 7 до 40км, где литостатическое давление достигает 10 000 атм.

Гранитообразование, связанное с фракционированием (дифференциацией) базальтоидных магм и с непосредственным выплавлением магм среднего и кислого состава из первичной базальтовой коры и подкорового магматического океана, имело ведущее значение на ранних стадиях формирования гранитоидов в архейском эоне. Начиная с протерозоя, главенствующая роль в гранитообразовании навсегда переходит к ультраметаморфическому метасоматическому и анатектическому механизмам.

Расслоение земной коры в процессе архейского гранитообразования на гранитный слой и базальтовый слой усиливалось по мере формирования осадочно-метаморфических толщ, состав которых в протерозойский эон уже соответствовал гранодиоритовому. Соответственно перплавление осадочного слоя всегда приводило к формированию кислых и средних интрузивных масс.

Дифференциация магмы

Первичная (ювенильная) магма, которая внедряется в земную кору из мантии, всегда имеет и имела основной (базальтовый) состав (исключая, вероятно архейское время). Представление о том, что каждая магматическая порода образовалась из особой первичной магмы, неверно, но существуют гипотезы и о перидотитовой и анортозитовой первичной магме.

Дифференциация магмы на глубинах от нескольких километров до нескольких десятков километров сводится к последовательному образованию кристаллов и их всплыванию или оседанию из остаточного расплава, а также расслоению жидких фракций под влиянием гравитации и конвективных потоков в очаге расплава. Важную роль при кристаллизации магмы играют такие факторы как присоединение новых химических соединений (ассимиляция) и потеря летучих веществ (флюидов).

Ход дифференциации на отдельные слои по содержанию кремнезема (SiO2) из родоначальной основной магмы выглядит так: Габбро-перидотитовая (ультраосновная) – Диоритовая (средняя) – Гранитная (кислая) – водные растворы.

Из ультраосновного расплава кристаллизуются интрузивные и эффузивные породы (в зависимости от глубины застывания) с содержанием SiO2

Осаждение кристаллов тяжелых минералов в менее плотной жидкости эффективно на ранних стадии, когда жидкая магма еще не слишком вязкая. Всплывание легких кристаллов (например, полевого шпата), вероятно, менее распространенный процесс.

Одновременно с осаждением и всплыванием кристаллов появляется газовая фаза в виде мельчайших пузырьков Н2О, CO2, HCl, HF, SO2, и др., которые поднимаясь вверх, по-видимому, садятся на отдельные кристаллы, способствуя их всплыванию. Газы расплава могут кроме того выдуть остаточную жидкость вверх в массив пород, вмещающих магматическую камеру.

При эманационной дифференциации магмы происходит разделение вещества расплава за счёт образования химических соединений с трансмагматическими флюидами, способными к обособлению.

При кристаллизации магмы до состояния вязкой массы, остаточная жидкость расплава может выжиматься при подвижках вмещающих пород, с образованием отдельного тела.

Когда магма полностью кристаллизуется, она образует изверженную породу, которая никогда не была полностью жидкой и которая сложена веществом исходной магмы и вмещающих пород.

Вышеперечисленные процессы в целом представляются достаточными для объяснения магматической дифференциации.

Однако невозможно представить образования громадных масс гранитов за счет только дифференциации базальтовой магмы. В ходе дифференциации базальтовой магмы вместе с гранитами должны образовываться ультраосновные породы, которые встречаются довольно редко.

Ультраметаморфизм

Гранитообразование тесно связано с региональным метаморфизмом, наблюдающийся только над участками астеносферы, где увеличивается тепловой поток и который инициирует конвективное перемещение горных пород земной коры и внедрение в кору горячих флюидальных растворов и магмы из мантии способных расплавить коровое вещество. Далее – под действием конвективного перемещения пород, в частности в местах схождения двух конвективных круговоротов, кора деформируются, что приводит к процессам орогенеза. В свою очередь деформация вызывает дополнительный эффект увеличения температуры, что может привести к почти полному расплавлению пород любого происхождения в толще земной коры.

Вероятно, расплавление горных пород при ультраметаморфизме происходит на минимальных глубинах до 7км. При дальнейшем подъеме интрузивный массив может находится в частично расплавленном виде до глубины 1км.

Совокупность этих процессов приводит к крайним проявлениям ультраметаморфизма – к анатексису – расплавлению и превращению в магму твёрдых пород до этого не находившихся в состоянии расплава под действием гидротермальных (жидких) и пневматолитовых (газовых) флюидов со значительным выносом и привносом химических соединений и палингенезу аналогичному расплавлению твердых пород, до этого уже находившимся в расплавленном состоянии (магматические породы) с менее значительным выносом и привносом химических соединений.

Анатексис и палингенез (далее в тексте оба явления ввиду отсутствия четкой границы между ними именуются одним термином – анатексис). Преимущественными процессами анатексиса являются: 1) плавление горных пород при диффузии (просачивание через кристаллическую решетку) и инфильтрации (поровое просачивание) газово-жидких растворов с высокотемпературным замещением, привносом и выносом веществ; 2) реоморфизм – плавление горных пород, вызванное внедрением магмы образованной первым процессом.

Анатектические расплавы образуются путем не полного переплавления коровых пород, а частичного. Расплавленная фракция подвергнувшегося анатексису субстрата в виде капель выдавливается вверх и скапливается в очаги магматических расплавов. В дальнейшем , полученная таким образом магма, поднимается с расплавлением и раздвигом вмещающих пород, либо остается на месте и постепенно затвердевает в виде интрузивных тел гранитов, гранодиоритов, диоритов или мигматитов. Как правило, анатектические гранитоиды содержат ксенолиты (включения) метаморфических или осадочных пород, захваченные в магму во время ее подъема. Породы основного и ультраосновного составов анатектического генезиса в верхней и средней континентальной коре, значительно менее распространены, так как средняя и верхняя зоны коры (первично осадочно-метаморфическая) до глубин в среднем около 25км, имеют преимущественно кислый и средний состав. О составе нижней коры науке до сих пор мало, что известно. Анатектические преобразования пород были больше характерны для архея и раннего и среднего протерозоя. Со времени позднего протерозоя ведущим процессом гранитообразования на Земле становится метасоматоз, то есть процессы, проходящие без расплавления пород из-за низкого температурного градиента земной коры поздней эпохи истории Земли.

Температура начала анатектического гранитообразования находится в пределах 660-740°С при давлении 2000 атм для пород, в состав которых входят кварц, плагиоклаз и калийсодержащие минералы. При этом нахождение воды в расплавляемых массах существенно влияет на температуру их плавления – высокое содержание воды понижает температуру плавления и наоборот. Кроме того присутствие воды способствует процессу растворения пород окружающих магматический очаг.

Метасоматическое гранитообразование

Формирование гранитоидов в толщах любых горных пород, но большей частью осадочных и метаосадочных, под действием гидротермально-пневматолитовых растворов (флюидов) без расплавления или с незначительным расплавлением пород называется метасоматическим гранитообразованием. Для гранитоидного метасоматоза характерно значительное изменение минерального и химического состава перерабатываемых пород, которое сопровождается привносом и выносом химических соединений, где значительную роль имеют вода и щелочи (Са (OH)2,NaOH, KOH и др.)

Метасоматическое гранитообразование протекает при температуре от 500 до 1000°С на глубинах от 20 до 1км.

Гранитоидный метасоматоз происходит при трех типах геологических условий:

в районах горообразования при тектонической активизации земной коры, то есть в зоне ультраметаморфизма воздымания – этот тип имеет наибольшее значение при образовании гранитоидов в современное геологическое время. В этих условиях образуются граниты, граносиениты и сиениты;

Один из вариантов анатексиса и возможной последующей дифференциации магмы

экзоконтактовое гранитообразование развито в контактах с интрузивно-магматическими расплавами и затвердевшими массивами;

при регионально-площадном распространении развивается процесс ультраметаморфизма погружения. В этих условиях гранитообразование может протекать и без существенного участия магматических и постмагматических флюидов, и даже вовсе без их участия, а граниты формируются за счет внутреннего перераспределения и перекристаллизации пород. В таком случае гранитообразование называется метаморфогенным.

Химизм и кристаллизация гранитной магмы

Для гранитов как и для всех интрузивных пород характерна крупно- и полнокристаллическая структура, что обусловлено глубиной застывания и кристаллизации пород. Интрузивные породы формируются в условиях медленного понижения температуры и под большим давлением вмещающих пород, что препятствует отделению минерализаторов, препятствующих отвердеванию магматического расплава. В таких условиях у минералов горной породы есть достаточное время и температура для роста кристаллов. Если магма охлаждается медленно и температура ее долго держится вблизи точки плавления, то образуется небольшое количество центров кристаллизации. При очень медленном охлаждении магма может полностью раскристаллизоваться, не достигнув поля, где образуется много центров кристаллизации.

Пегматит - крупнокристаллическая преимущественно дайковая (жильная) порода. Дайки пегматитов достигают 3-5 км в длину и могут иметь мощность в несколько сотен метров. Наиболее распространены пегматиты кислых интрузий (гранитные пегматиты), однако известны пегматиты и других типов магматических пород: дунит-пегматиты, габбро-пегматиты, пироксенит-пегматиты и др.

Физическое состояние молекул в магме достоверно не известно. Прочно связанные анионные группы [SiO4], вероятно, находятся в расплаве совместно со свободными катионами Fe2+, Mg2+, Ca2+ и Na+. Эти кластеры в жидкой фазе можно рассматривать как группы кремнекислородных и алюмокремнекислородных тетраэдров, связанных в сложные группы.

Появление расплавов в зонах ультраметаморфизма возможно лишь при наличии воды, понижающей температуру кристаллизации кварц-полевошпатовых пород. Главным источником воды в процессе плавления служат слюды (мусковит, биотит) метаморфических горных пород, которые при повышении температуры разлагаются с выделением Н20. Например, мусковит разлагается с образованием ортоклаза, силлиманита и воды: KAl3Si3O10(OH)2 + Si02 → KAlSi308 + Al2Si05 + Н20.

В результате кристаллизации полностью расплавленной первичной магмы обычно выделяется не один твердый минерал, а несколько. В процессе кристаллизации некоторые выделившиеся минералы во взаимодействии с расплавом появляются и исчезают, другие изменяют свой состав, третьи сохраняются в изначальном виде. При кристаллизации расплавов богатых летучими компонентами процесс кристаллизации существенно усложняется.

Последовательность выделения минералов при кристаллизации первичной кислой магмы: полевые шпаты – биотит – кварц.

При кристаллизации анатектической магмы кварц кристаллизуется из расплавленного состояния при температуре ниже 700°С, а полевые шпаты, имеющие в гранитизируемом субстрате температуру плавления выше 1000°С, не расплавляются, но растут из микроскопических кристаллов входивших в состав преобразуемых пород. В присутствии воды кристаллизация полевых шпатов идет при более низких температурах.

Гранитный расплав при давлении 1000 атм (соответствует глубине 2км) может растворить 3,75% воды, при давлении 4000 атм (глубина 15км) – 9,25%.

Присутствие летучих резко снижает температуру начала кристаллизации. 1% растворенной в расплаве воды понижает температуру кристаллизации примерно на 50°С, то есть при содержании 10% воды температура может понизиться на 500°С.

Главная особенность кристаллизации в присутствии флюидов – выделение газов при одновременной кристаллизации с понижением температуры. В результате в магме, пропитанной газовым раствором, начинается перекристаллизация. Далее, когда газы выделяются из магмы, начинаются пневматолитовые процессы метасоматоза в окружающих породах.

Таким образом, присутствие в магме воды и других минерализаторов обусловливает возникновение в конце кристаллизации газового раствора. Этот раствор вызывает перекристаллизацию породы с образованием крупнозернистых структур.

Общая схема кристаллизации кислой магмы выглядит так: 1) выделение силикатов из магмы; газовая фаза еще не появляется; 2) «ретроградное кипение», когда из магмы выделяется и силикат и газовая фаза; 3) пневматолитовая стадия, когда силикат выделяется из газа; 4) стадия конденсации, когда появляются водные растворы и 5) гидротермальная стадия, когда силикат выделяется из водного раствора.

Перемещенные и неперемещенные граниты

Насыщенный водой кислый расплав может возникнуть в процессе ультраметаморфизма мусковит-содержащих пород при давлении 2000-4000 атм на глубине от 16 до 7км (мусковит является главным источником воды при разложении в глубинных условиях).

Глубже мусковит разлагается при более высокой температуре и образованный при этом расплав становится перегретым и недонасыщенным водой.

Как указывалось выше, насыщение водой понижает температуру гранитного расплава, и, соответственно расплав теряет способность к дальней миграции (перемещению). И наоборот недонасыщенные водой расплавы способны к дальней миграции в силу своей высокой температуры.

Таким образом, перемещенные граниты произошли из глубоких коровых источников и имели более высокую начальную температуру. Если же источник располагается на меньшей глубине, то расплав затвердевает в виде мигматитов недалеко от места зарождения.

Однако, мигматизированные гранито-гнейсы способны перемещаться в область меньшего давления и при этом количество гранитного расплава может возрастать. Возможность такого перемещения обусловлено тем, что эти гранито-гнейсы, содержащие некоторое количество анатектического расплава, обладают меньшей плотностью и вязкостью (более текучие). Кроме того подъем пород сопровождается дополнительным нагревом, что является дополнительным фактором частичного плавления и возрастания подвижности гранито-гнейсов. Вследствие этого они механически неустойчивы и способны к подъему в виде диапировых куполов, аналогично тому, как поднимаются массы пластичной и легкой каменной соли. Многокилометровые гранито-гнейсовые купола, приуроченные к ядрам антиклинальных структур, весьма характерны для ультраметаморфических комплексов.

Мигматит. Центральный Тянь-Шань. Фото автора

Подъем интрузивного тела из очага своего формирования в глубоких недрах, когда уже расплав не способен переплавить вмещающие породы, идет по разломам. Этот процесс сопровождается опустошением магматического очага в который опускаются блоки вышележащих малоизмененных толщ с одновременным замещением освободившегося пространства интрузивной породой поступающей из разломов. Так в общей схеме выглядит формирование батолитов - крупнейших интрузивных массивов.