Общие сведения о магматических породах

Общие сведения о магматических породах

Магматические породы разделяются, прежде всего, по фациальным условиям образования на три класса: плутонические, вулканические и гипабиссальные. Плутонические породы кристаллизуются в абиссальных условиях, образуясь путем интрузии (внедрения расплава), поэтому их называют интрузивными. Вулканические породы застывают на земной поверхности, образуясь путем эффузии (излияния), поэтому называются эффузивными или излившимися. Гипабиссальные породы кристаллизуются (или застывают) в полуглубинных условиях и, по сути, являются частично излившимися, т. к. застывают близ поверхности и могут частично изливаться на поверхность, поэтому их еще называют субвулканическими.

Все магматические породы имеют резкие, часто секущие контакты с вмещающими их магматическими, метаморфическими или осадочными образованиями, на которые часто оказывают термальное воздействие, изменяя их состав.

Магматические породы характеризуются определенным химическим и минеральным составом. Химический состав показывает количественное соотношение элементов, входящих в состав породы. Минеральный состав отражает характер соединений, в которых находятся эти элементы в породе. Минеральный и химический состав взаимосвязаны, хотя и не всегда визуально можно определить эту связь. Породы, имеющие один и тот же химический состав, могут иметь разный минеральный состав, т. к. последний зависит не только от состава исходного расплава, но и от условий его кристаллизации. Также это касается вулканических пород, где вместо минералов часто присутствует вулканическое стекло, а также измененных пород, где первичные магматические минералы замещаются вторичными. Поэтому нельзя просто по химическому составу определить, с какой породой мы имеем дело – вулканической, плутонической, гипабиссальной или вообще осадочной. Хотя обратную задачу – пересчитать минеральный состав вулканической породы по известному химическому составу можно, что с успехом и применяется в петрологии.

Из всего сказанного следует, что определение валового химического и минерального составов является обязательным для полной характеристики породы. Рассмотрим подробнее химический и минеральный составы магматических пород.

Химический состав магматических пород

К настоящему времени накоплен огромный фактический материал по содержанию основных компонентов в магматических породах. Главными компонентами, из которых состоят магматические горные породы, являются девять элементов: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, H. Эти элементы названы Г. Вашингтоном петрогенными, в отличие от металлогеннных элементов, составляющих главную массу руд.

Особое значение имеют летучие компоненты (флюиды, минерализаторы), такие, как H₂O, CO₂, P₂O₅, Li₂O, SO₃, B, F, Cl, и другие. Содержание их в породах незначительно, но известно, что в расплавах их количество было гораздо выше. Эти компоненты своим присутствием способствуют кристаллизации расплавов. Химический состав горных пород в отличие от состава минералов не может быть выражен конкретной формулой, т. к. соотношения минералов в породах крайне непостоянны и зависят от многих условий. В породах химический состав выражается в виде главных окислов – SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, H₂O, сумма которых составляет более 98 мас. %. Сумма второстепенных окислов MnO, CO₂, P₂O₅ – около 1,5, а сера и хлор – 0,2 мас. %. Все остальные элементы таблицы Менделеева (элементы-примеси) вместе взятые составляют менее 0,5 мас. %. Количественные соотношения различных элементов во многом зависят от содержания в расплаве кремнекислоты (SiO₂), которая преобладает в составе пород, составляя в среднем около 50 % от суммы всех окислов. Поэтому магматические породы и называются силикатными. Подсчет среднего состава пород сделан рядом ученых, причем полученные цифры близки (в мас. %): SiO₂ 59,12; TiO₂ 1,05; Al₂O₃ 15,34; Fe₂O₃ 3,08; FeO 3,80; MgO 3,49; CaO 5,08; Na₂O 3,84; K₂O 3,13; H₂O 1,15.

Изменения в содержании главных окислов имеют определенные закономерности. Например, с уменьшением количества SiO₂, Na₂O и K₂O в породах увеличивается содержание FeO, Fe₂O₃, MgO; с повышением щелочности магм в породах увеличивается содержание TiO₂ и степень окисленности железа (соотношения двух- и трехвалентного железа). Это происходит из-за того, что горная порода состоит из минералов, которые имеют определенный химический состав. Наиболее низкое содержание SiO₂ (35–40 мас. %) имеют мономинеральные оливиновые породы (дуниты, оливиниты), которые содержат наибольшее количество MgO (40–46 мас. %), а наиболее высокое содержание SiO₂ (70–78 мас. %) имеют породы, максимально обогащенные кварцем – лейкограниты, в которых содержание окиси магния исчезающе мало. По степени кремнекислотности магматические породы разделяются на кислые (SiO₂ 65–75 мас. %), средние (SiO₂ 54–65 мас. %), основные (SiO₂ 45–54 мас. %) и ультраосновные (SiO₂ менее 45 мас. %). По соотношению других главных окислов Na₂O, K₂O, СаО, и Al₂O₃ породы делятся на три ряда:

1. 
   нормальный, или известково-щелочной. Для него характерно следующее соотношение главных окислов: СаО + Na₂O + + K₂O > Al₂O₃ > Na₂O + K₂O;
   
2. 
   пересыщенный щелочами, или агпаитовый, со следующим соотношением окислов: Na₂O + K₂O > Al₂O₃;
   
3. 
   пересыщенный алюминием, или плюмазитовый: Al₂O₃ > > Na₂O + K₂O + СаО.
   

Пересыщенные породы (кислые и часть средних) содержат в своем составе свободный кремнезем в виде кварца. Насыщенные породы (средние и часть основных) не содержат в своем составе свободный кремнезем, а также минералы, недосыщенные кремнеземом (оливин и фельдшпатоиды), – в них много полевых шпатов, пироксена, амфибола, слюд и других насыщенных силикатов. Ненасыщенные (ультраосновные и щелочные породы) содержат в своем составе недосыщенные кремнеземом минералы – оливин и/или фельдшпатоиды.

Для характеристик отдельных групп пород большое значение приобретают некоторые другие особенности химических составов, которые выражаются различными соотношениями оксидов. Таковы, например, железистость¹, магнезиальность², агпаитность³, щелочность⁴ и др. Для сравнения вулканических полукристаллических или стекловатых пород с полнокристаллическими часто пользуются нормативным составом, в ряде случаев значительно отличающимся от реального (модального) минерального состава пород. Нормативный состав, или норма, представляет собой условный идеальный минеральный состав, вычисленный на основе химического. Теоретически нормативный состав представляет собой ассоциацию минералов, которая могла бы образоваться из магмы того или иного состава в идеальных равновесных условиях.

Минеральный состав магматических пород

В глубинных условиях минералы кристаллизуются при медленном остывании магмы, сохранении в расплаве флюидов, что определяет формирование равновесных минеральных парагенезисов. При кристаллизации в неблагоприятной обстановке (слишком быстро, на поверхности при контакте с воздухом или водой) расплавы теряют флюиды и в породе появляются неравновесные ассоциации минералов. Например, калиевый полевой шпат в эффузивных породах кристаллизуется в виде высокотемпературного санидина, а в глубинных – в виде относительно низкотемпературного ортоклаза или микроклина. Роговые обманки образуются только в глубинных условиях, тогда как в поверхностных условиях при застывании лавы того же состава образуются пироксены.

Минералы магматических пород различаются по количественному составу и по генезису. По своему происхождению минералы магматических пород могут быть первичными и вторичными. Первичные минералы образуются непосредственно при кристаллизации магматического расплава. Вторичные – при изменении первичных минералов, после кристаллизации расплава – в постмагматическую стадию.

По количественному соотношению все первичные минералы разделяются на главные, второстепенные и акцессорные. Главные породообразующие минералы составляют основную часть пород, количество каждого из них должно составлять не менее 5 %. Присутствие главных минералов определяет тип горной породы. Например, в состав гранита входят калиевые полевые шпаты, плагиоклаз, кварц и биотит. Исчезновение хотя бы одного из этих минералов изменит название породы: исчезнет кварц и порода превратится в сиенит, исчезнет калишпат – плагиогранит, исчезнет биотит – лейкогранит (аляскит). Если главные минералы входят в состав породы в небольшом количестве (менее 5 %), то они описываются как второстепенные составные части. Главные и второстепенные минералы представлены силикатами и алюмосиликатами, которые различаются особенностями химического состава и окраской. В связи с этим выделяют темноцветные, или мафические⁵ (фемические), содержащие много железа и магния, и светлоцветные, или салические⁶, содержащие много кремния и алюминия. К фемическим минералам относятся оливин, пироксены, амфиболы, слюды (биотит, флогопит и др.), мелилит; к салическим – плагиоклазы, калиево-натриевые полевые шпаты, кварц, фельдшпатоиды.

Акцессорные минералы в породе обычно содержатся в количестве не более 5 % – это редкие минералы. Акцессорные минералы подразделяются на характерные, присутствующие только в определенных породах (хромит, шпинель, перовскит, монацит, эвдиалит, ортит, шорломит и др.), и нехарактерные, встречающиеся в породах разного состава (например, апатит, циркон, сфен, магнетит).

Вторичные минералы могут образовываться в разное время после кристаллизации магмы. Иногда они возникают непосредственно из газов и растворов, выделившихся из магмы при ее кристаллизации, но чаще при взаимодействии этих компонентов с первичными минералами. Вторичные минералы, образовавшиеся сразу после кристаллизации магмы, называются эпимагматическими (или постмагматическими). Образовавшиеся при процессах выветривания называются экзогенными. К вторичным минералам магматических пород относятся серпентин, хлорит, тальк, серицит, каолинит, мусковит, карбонаты, цеолит, тремолит, актинолит и др.

Кроме первичных и вторичных минералов в магматических породах иногда присутствуют ксеногенные (чуждые), или случайные, минералы. Они попадают в горные породы извне и не связаны с процессом кристаллизации первичного магматического расплава. В случае попадания в магматический расплав вещества вмещающих осадочных пород в магматической породе могут появиться типично метаморфические минералы, такие как силлиманит, андалузит, кианит, гранат, волластонит, и др.

Наиболее распространенными минералами магматических пород являются полевые шпаты, которые преобладают над темноцветными минералами и кварцем. Поэтому состав полевых шпатов и их соотношение играют важнейшую роль при классификации магматических пород. Состав плагиоклазов по кремнекислотности обычно соответствует составу пород: в основных породах присутствует основной плагиоклаз (богатый кальцием), в средних – средний (натриево-кальциевый), а в кислых – кислый плагиоклаз (богатый натрием) и калиевые полевые шпаты.

Минеральный состав вообще является важным классификационным признаком, при этом особое значение имеет его количественная характеристика. С этой целью определяют так называемое «цветное» число (цветовой индекс – индекс мафичности М). Цветное число отражает кремнекислотность магматических пород: ультраосновные породы имеют индекс М (в %) 90–100, основные – около 50, средние – около 30 и кислые – 10. Это находит отражение в окраске пород. Неизмененные ультраосновные породы имеют черный цвет, основные – темно-серый, средние – серый, кислые – светло-серый, светло-розовый, белый. Однако в природе нередки отклонения от средних содержаний. Так порода может содержать заметно меньше или больше темноцветных минералов, чем типичная разность той же кислотности. В таких случаях более темная порода называется меланократовой, а более светлая – лейкократовой. Горную породу с типичным цветным числом называют мезократовой.

Минералы, которые своим присутствием указывают на определенные особенности химического состава магматических пород, называются симптоматическими. Например, на степень насыщения пород окисью кремния указывает кварц, который образуется только тогда, когда содержание SiO₂ в магме превышает то, которое должно вступить в соединение с металлами для образования силикатов. Присутствие оливина, напротив, служит признаком того, что порода недосыщена кремнеземом, т. к. оливин может кристаллизоваться из магмы, в которой содержание этого окисла недостаточно для образования пироксена. В противном случае вместо оливина кристаллизуется ромбический пироксен (энстатит), согласно реакции

форстерит энстатит

NaAlSiO₄ + 2SiO₂ = NaAlSi₃O₈.

нефелин альбит
Оливин, минерал, недосыщенный кремнекислотой, встречается главным образом в ультраосновных породах. Пироксены также типичны для ультраосновных и основных пород. В средних обычно присутствует роговая обманка, а в кислых – биотит. Для щелочных пород характерно присутствие щелочных пироксенов и амфиболов.

Контрольные вопросы