Общие закономерности кристаллизации минералов

Для того чтобы понять причины образования структур магма­тических пород, необходимо познакомиться с главнейшими ти­пами термических диаграмм, иллюстрирующими процессы кри­сталлизации силикатных расплавов. К таким типам относятся следующие диаграммы кристаллизации: 1) по закону непрерыв­ного реакционного взаимодействия с образованием твердых ра­створов; 2) по закону эвтектики и 3) с образованием химического соединения с инконгруэнтной (скрытой) точкой плавления. Ука­занные выше диаграммы построены на основании эксперимен­тального изучения двухкомпонентных (бинарных) силикатных си­стем, не содержащих паров и, следовательно, не зависящих от давления. Хотя такие системы не соответствуют сложным при­родным условиям кристаллизации магмы, тем не менее общую направленность процесса они отражают правильно.

Для построения простейших диаграмм кристаллизации поль­зуются двумя взаимно перпендикулярными осями, из которых ось ординат — температурная шкала, ось абсцисс — шкала составов. Кривая на диаграмме, отражающая начало кристаллизации и отвечающая составу расплава, называется ликвидус (жидкий); кривая, обозначающая конец кристаллизации и определяющая состав кристаллов, называется солидус (твердый). Линии ликви­дуса и солидуса делят плоскость диаграммы на отдельные поля, в пределах которых устойчивы определенные фазы — физически однородные части системы (расплав, кристаллы). Положение лю-

бой точки в пределах диаграммы определяется составом и тем­пературой и отражает состояние системы — ее фазы и их отно­сительные количества.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ С ОБРАЗОВАНИЕМ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ

Твердый раствор (гомогенная фаза) имеет состав, который может изменяться непрерывно неограниченно или в известных пределах. Иначе, если два или несколько компонентов могут растворяться один в другом во всевозможных относительных ко­личествах и затем такой раствор затвердеет, то получится и твердое тело, и раствор одновременно.

Свойствами твердых растворов, как известно, обладают все породообразующие минералы, дающие изоморфные ряды. Наибо­лее ярким примером кристалли­зации с образованием твердых растворов с неограниченной сме­симостью являются плагиоклазы. Рассмотрим ход кристаллиза­ции плагиоклазов для расплава из смеси двух компонентов: аль­бита в количестве 60 вес. % и анортита в количестве 40 вес. % (рис. 68). Как видно из диаграм­мы, чистый альбит начинает кри­сталлизоваться при температуре 1100° С, чистый анортит—при температуре 1550° С. Смесь альбита и анортита нf диаграмме (по Н. Боуэну). аходится целиком в жидком состоянии. При пониже­нии температуры до пересечения изотермы t₂ с кривой ликви­дуса начнут выделяться кристаллы, обогащенные анортитом от­носительно исходного расплава. Состав первых кристаллов пред­ставлен точкой b на кривой солидуса и соответствует 25 вес. % альбита и 75 вес. % анортита. Таким образом, при температуре ti в равновесии будет находиться расплав состава р' и кристал­лы состава Ь. Состав минеральных фаз можно проверить путем внезапного охлаждения (закалки) системы. При дальнейшем по­нижении температуры расплав будет взаимодействовать с выде­лившимися кристаллами и вся система начнет смещаться влево по линиям ликвидуса и солидуса, что и понятно, так как анортит постепенно удаляется из системы, а остаточная жидкость соот­ветственно обогащается альбитом. При ^з=1350°С в равновесии находится расплав состава с и кристаллы состава d. Количест­венные соотношения кристаллов и расплава при температуре выразятся соответственно отношением отрезков ср": p"d. При НО

t± — 1225° С жидкость полностью израсходуется, состав твердой фазы р'" будет отвечать составу исходного расплава р и кри­сталлизация системы на этом закончится. Как видим из диаграм­мы, выше линии ликвидуса система в любой точке соответствует жидкому состоянию, между линиями ликвидуса и солидуса в равновесии находятся и жидкость, и кристаллы, ниже линии со­лидуса — только кристаллы.

Итак, для бинарных" систем, кристаллизующихся с образова­нием твердых растворов, можно отметить следующие особен­ности:

1. Кристаллы и расплав в течение всего процесса кристалли­зации непрерывно взаимодействуют друг с другом с одновремен­ным изменением состава и кристаллов и расплава в направлении обогащения менее тугоплавким компонентом (в данном приме­ре — альбитом).

2. Первые кристаллы, выделившиеся из расплава, всегда бо­гаче тугоплавким компонентом, чем исходный расплав; последние кристаллы отвечают составу исходного расплава.

3. Состав кристаллов, выделившихся в начальную и конечную стадии кристаллизации, а также температурный интервал про­цесса кристаллизации зависят только от состава исходного рас­плава.

В природных условиях при медленном спокойном процессе кристаллизации реакция между расплавом и твердой фазой до­ходит до конца с образованием однородных кристаллов, соответ­ствующих составу исходного расплава. При нарушении равнове­сия за счет скачкообразного изменения температуры или за счет изменения состава расплава (вследствие притока нового вещест­ва, удаления ранее образовавшихся кристаллов или других при­чин) равновесие нарушается, выделяющиеся кристаллы не успе­вают прореагировать с расплавом, что приводит к появлению зональных кристаллов. Состав зональных кристаллов меняется от зоны к зоне, четко свидетельствуя о последовательности вы­деления минеральных фаз. При нормально направленном ходе кристаллизации центральные части зональных кристаллов обыч­но обогащены более тугоплавким компонентом, в данном слу­чае — анортитом, внешние зоны — более легкоплавким — альби­том. Зональные плагиоклазы характерны для пород, кристалли­зовавшихся в гипабиссальных или поверхностных условиях, ме­нее равновесных, чем глубинные условия кристаллизации. В пла­гиоклазах основного и среднего состава зональность выражена резче, чем в кислых плагиоклазах.

В случае резкого понижения температуры, что имеет место при вулканических извержениях, могут образоваться кристаллы любого промежуточного состава (например d) и стекло соста­ва с.

Заканчивая рассмотрение схемы кристаллизации твердых ра­створов, следует упомянуть об очень важной системе двух ком-ill

понентов ортоклаз — альбит, которые дают твердые растворы только в ограниченных пределах при температуре выше 660° С. Ниже этой температуры происходит распад твердого раствора с выделением альбита в виде закономерно ориентированных пер-титовых вростков в монокристалле ортоклаза.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ по ЗАКОНУ ЭВТЕКТИКИ

Эвтектикой называется такое количественное соотношение двух или нескольких компонентов, при котором они кристалли­зуются одновременно, сохраняя в течение всего процесса затвер­девания постоянную и самую низкую (эвтектическую) температу­ру. Компоненты, кристаллизую­щиеся по закону эвтектики, не дают твердых растворов или хи­мических соединений, а точка плавления эвтектической смеси значительно ниже, чем точка плавления каждого компонента в отдельности. Эвтектический тип кристаллизации очень широко распространен и имеет важное значение в петрогенезисе.

юо% во Диопсид

Рис. 69. Диаграмма кристаллиза­ции по закону эвтектики в системе диопсид—анортит (по Н. Боуэну).

В качестве примера рассмо- ^си. ^и трим кристаллизацию расплава, состоящего из анортита и диоп-сида (рис. 69). Температура пла­вления чистого анортита 1550° С; чистого диопсида 1391° С. Добав­ление к анортиту (или диопси-ду) второго компонента понизит температуру начала кристаллиза­ции, и дальнейший ход процесса будет протекать по линиям лик­видуса АЕ или DE, что будет зависеть от наличия компонента, пре­обладавшего относительно состава эвтектики. Если начальный рас­плав отвечал составу в точке р (диопсида 30%, анортита 70%), то при понижении температуры до 1425° С начнут выделяться кри­сталлы чистого анортита при одновременном изменении состава расплава по кривой АЕ в направлении обогащения диопсидовой составляющей. В момент, когда состав расплава будет соответст­вовать точке Е (диопсида 57,5%, анортита 42,5%)), диопсид и анор­тит начнут выделяться одновременно в виде самостоятельных фаз с образованием эвтектики. Далее процесс кристаллизации будет протекать при постоянной эвтектической температуре, равной 1270° С. Если бы исходный расплав с самого начала отвечал со­ставу эвтектики, то весь процесс кристаллизации протекал бы прн температуре 1270° С с одновременным выделением анортита и ди­опсида до полного затвердевания расплава.

Отметим особенности эвтектического типа кристаллизации:

1. Первым выделяется из расплава тот компонент, который находится в избытке относительно эвтектики.

2. Количество кристаллов, выделившихся до начала эвтекти­ческой кристаллизации, зависит от состава исходного расплава.

3. Состав выделяющихся кристаллов постоянен в течение все­го процесса кристаллизации.

4. Состав эвтектики и температура конца кристаллизации ком­понентов, находящихся в эвтектическом соотношении, всегда по­стоянны и не зависят от состава исходного расплава.

Диаграммы эвтектической кристаллизации позволяют объяс­нить природу ряда структур. В частности, компонент, выделяю­щийся первым, будет свободно расти в жидкой среде, образуя идиоморфные кристаллы. При достижении расплавом состояния эвтектики, начнется одновременная кристаллизация всех компо­нентов с образованием аллотриоморфнозернистых или графиче­ских структур.

Установлено, что большая часть магматических горных пород состоит из минеральных компонентов в эвтектических или анхи-эвтектических (анхи — почти) соотношениях. Именно этим объ­ясняется одновременное присутствие в порфировых вкрапленни­ках жильных или эффузивных пород различных минералов, кри­сталлизация которых начиналась почти одновременно. В качестве примера можно привести диоритовые порфириты, во вкрапленни­ках которых встречаются роговая обманка, биотит и средний пла­гиоклаз, или гранит-порфиры, во вкрапленниках которых нахо­дим кислый плагиоклаз, натриево-калиевыи полевой шпат, кварц и т. д.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ С ОБРАЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ, ПЛАВЯЩИХСЯ ИНКОНГРУЭНТНО

Химическим соединением с инконгруэнтной (скрытой) точкой плавления называется такое соединение, которое представляет собой кристаллы, устойчивые до определенной температуры, при достижении которой они начинают реагировать с расплавом, об­разуя кристаллы нового состава. Этот тип диаграмм имеет важ­ное петрогенетическое значение, так как позволяет понять про­цесс кристаллизации в ряду фемических минералов.

В качестве примера рассмотрим систему форстерит—кремне­зем с образованием пироксена клиноэнстатита состава Mg₂Si206. Температура кристаллизации чистого форстерита 1890° С, темпе­ратура кристаллизации кремнезема 1713° С.

Допустим, что состав исходного расплава (рис. 70) обогащен форстеритом и отвечает соотношению компонентов в точке А (форстерита 75%, кремнезема 25%). При охлаждении расплава До температуры t\ из расплава начнут выделяться кристаллы чи­стого форстерита, причем дальше процесс кристаллизации пойдет

из

•ло кривой ликвидуса с параллельным обеднением расплава фор­стеритом и обогащением кремнеземом (аналогично диаграмме эвтектики). Такой характер процесс будет сохранять до темпера­туры 1557°С, при достижении которой расплав состава R (фор­стерита 68%, кремнезема 32%) начнет реагировать с кристаллами -форстерита, образуя клиноэнстатит, до тех пор пока расплав пол-костью не израсходуется. В итоге образуется агрегат кристаллов •форстерита и клиноэнстатита.

РасплаВ

1713'

^

Расплав + кристодалит

Кристобалит + «линоэнстатит

80 90 100 Кристобалит

ВО 70

■Рис. 70. Диаграмма кри­сталлизации с образова­нием химических соеди­нений, плавящихся ин-конгруэнтно в системе •форстерит — кремнезем (по Н. Боуэну, Е. Ан­дерсену, Дж. Грейгу).

10 20 SO Ь0 50 Щрстецт Шнознстатит

Если исходный расплав уже имел состав клиноэнстатита (точка В), то при понижении температуры до 1600°С, так же как и в рассмотренном выше случае, начнут выделяться кристаллы фор­стерита и процесс пойдет далее по линии ликвидуса до температу­ры 1557° С. При температуре 1557°С расплав начнет растворять форстерит с преобразованием его в клиноэнстатит. Реакция будет проходить до превращения всего форстерита в клиноэнстатит, при­чем весь расплав будет израсходован.

Для расплава, 'состав которого богаче кремнеземом, чем клино-энстатитом (точка С), процесс кристаллизации будет отличаться от описанного тем, что после преобразования форстерита в клино­энстатит, останется часть расплава состава R, из которого при по­нижении температуры начнут сразу же выделяться кристаллы кли-, ноэнстатита с одновременным обогащением расплава кремнеземом. Когда температура системы достигнет 1543 °С (точка Е), а состав смеси будет соответствовать 87,5% клиноэнстатита и 12,5% крис-114

тобалита, начнется одновременная кристаллизация этих двух ком­понентов с образованием эвтектики.

Процесс кристаллизации расплавов, обогащенных кремнеземом относительно эвтектики (правая часть диаграммы), не рассматри­вается, так как система клиноэнстатит — кристобалит большого-значения для выяснения процессов образования магматических пород не имеет.

Рассмотренная диаграмма кристаллизации с инконгруэнтньш плавлением объясняет последовательность выделения фемических минералов, в ряду которых (оливин — пироксен — роговая обман­ка— биотит) каждый последующий минерал образуется как про­дукт взаимодействия расплава с ранее выделившимся минералом. Если ранее выделившийся минерал не успел прореагировать с рас­плавом до конца (израсходован весь кремнезем из расплава, произошло резкое понижение температуры), то вокруг такого ми­нерала начнут образовываться так называемые реакционные каем­ки, представленные минералом более поздней стадии кристаллиза­ции. Направленность процесса сохраняется от оливина к биотиту, а сам процесс, как видим, носит прерывно реакционный характер. Этот тип кристаллизации объясняет также причину, по KOTopoff выделяются различные фемические минералы в породах, принад­лежащих по химическому составу к одной и той же группе, но кристаллизовавшихся в интрузивных и эффузивных условиях. Так, в диоритах, кристаллизация которых протекала в спокойных глу­бинных условиях, оливин успевает полностью прореагировать с расплавом и превратиться в пироксен или даже в роговую обманку {пройдя через стадию пироксена), тогда как во вкрапленниках андезитов оливин может сохраниться вследствие закалки или быстрого падения температуры расплава, когда времени для-(реакции было недостаточно.

| Знакомство с главнейшими типами диаграмм кристаллизации Доказывает, что магматический расплав, а в ряде случаев и сами Минералы, в ходе становления породы претерпевают закономер­ные превращения, неуклонно направленные на восстановление варушенного физико-химического равновесия вследствие измене­ния термодинамических условий, что в конечном счете приводит к появлению горных пород более или менее определенного состава I структуры.

t В настоящее время уровень науки и техники позволяет изучать рех- и четырехкомпонентные системы с участием летучих компо-ентов и при высоком давлении, что широко раздвигает рамки сследований, приближая условия эксперимента к природным.

i

РЕАКЦИОННЫЕ РЯДЫ МИНЕРАЛОВ

[, Данные экспериментальных исследований кристаллизации си-|катных систем и изучение структур реальных горных пород)зволили Н. Боуэну представить последовательность выделения-

П5

главнейших породообразующих минералов в виде двух реакцион­ных рядов (рис. 71). Один ряд непрерывно-реакционный, свойст­венный полевым шпатам; другой ряд прерывно-реакционный, ха­рактеризующий железо-магнезиальные силикаты. В каждом из рядов вышестоящий минерал, реагируя с жидкой фазой, дает ни­жестоящий минерал. Стрелками (дополнение А. Н. Заварицкого) показано направление процесса кристаллизации.

Порядок выделения минералов в различных рядах зависит от состава расплава. Каждый минерал данного ряда с соответствую­щим минералом параллельного ряда образует эвтектику.

Олиёин

\

Ромбический пироксен

\ Моноклинный пироксен

\ Рогодая обманка

\

биотит

Мускодит

Анортит

Основные плагиоклазы Средние плагиоклазы Кислые плагиоклазы

Альбит

\

♦

Натриедо калиедые

поледые шпаты

*

Мари,

Ассоциация пород

Ассоциация

средних

повод

Асшиоиия

кислы я пород

Рис. 71. Реакционные ряды минералов (по Н Боуэну с допол­нениями А. Н. Заварицкого).

Реакционные ряды включают важнейшие породообразующие минералы и объясняют порядок их выделения и парагенезис. Из схемы Боуэна видно, что ассоциация оливинов, пироксенов и основ­ных плагиоклазов обычна; все эти минералы относятся к началь­ной высокотемпературной стадии кристаллизации. Наоборот, кис­лые плагиоклазы, натриево-калиевые полевые шпаты и кварц вмес­те с оливином и пироксеном встречаться не должны, поскольку эти минералы принадлежат к крайним членам реакционных рядов и т. д.

Реакционный принцип Боуэна характерен для широко распро­страненной серии известково-щелочных пород с нормальной щелоч­ностью и нормальным отношением магния и железа в фемических минералах. Однако, как показали работы Д. С. Коржинского и В. С. Соболева, повышение концентрации Na в расплаве сопровож­дается вытеснением Са из плагиоклазов, что приводит роговую обманку, а затем и пироксен, в равновесие с кислыми плагиокла­зами. В итоге вместо нормальных биотитовых гранитов могут возникнуть роговообманковые и даже пироксеновые граниты. Увеличение содержания Fe относительно Mg может привести к 116

обратной последовательности выделения ромбических и моноклин­ных пироксенов, поздней кристаллизации железистых оливинов и другим изменениям.

Глава V КЛАССИФИКАЦИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД

Пока еще нет единой общепризнанной классификации магмати­ческих пород, удобной для практического использования. Труд­ность создания такой классификации объясняется разнообразием условий образования пород этой группы, а также отсутствием четких границ между отдельными видами и разновидностями по­род, которые связаны между собой постепенными структурными и минеральными переходами.

Предложено большое число классификационных схем, основан­ных на различных признаках. Наиболее широкое признание полу­чили классификации, в основу которых положены: 1) условия об­разования и залегания и структурные особенности пород, 2) хими­ческий состав и 3) количественные соотношения главнейших поро­дообразующих минералов в породах.

Каждая классификация имеет свои положительные и отрица­тельные стороны, но все вместе они дополняют друг друга, поз­воляя наиболее полно охарактеризовать породу и найти ее положе­ние в общем ряду магматических пород.