Особое внимание в приведенном выше обсуждении было уделено генерации водосодержащих, но недонасыщенных известково-щелочных магм; было показано, что такие магмы могут являться обычными продуктами частичного плавления амфиболитов даже в отсутствие порового флюида. Магмы, генерируемые при высокобарическом распаде роговой обманки в зонах субдукции, как, например, в точке В на рис. 3.3, не способны к прямому подъему без разогрева, так как при уменьшении давления они вновь попадают в поле устойчивости роговой обманки, где они обычно полностью кристаллизуются. Поэтому для понижения aw необходимо дальнейшее нагревание и последующее плавление, чтобы обусловить стабилизацию роговой обманки и обеспечить способность магмы к подъему на поверхность. Когда кривая давление — температура круто пересекает окружающую литосферную геотерму, как, например, кривая CD на рис. 3.3, термический режим изменяется от нагревания к охлаждению, после чего, если достигается равновесие, краевые части магматических тел претерпевают частичную кристаллизацию. Степень кристаллизации в данном магматическом теле, очевидно, зависит от скорости охлаждения (подъема); чтобы кристаллизовался пироксен, скорость должна превышать примерно 2° С/км подъема. Однако при таком подъеме магмы плагиоклаз, как правило, кристаллизуется даже без охлаждения, так как снижение давления приводит к возрастанию аanm за счет обратного сдвига AlIV <—> AlVI, который обсуждался выше. Вследствие этого магматическое тело, поднимающееся через океаническую литосферу с глубины 75 км, теоретически способно передавать тепло вмещающим породам со скоростью 0,6 кал*г-1*км-1 подъема (что эквивалентно 2,2° С/км при охлаждении) и все же сохраняет при этом более половины своей первоначальной массы, достигая поверхности с той же температурой, что и в источнике. Кроме того, за счет потери плагиоклаза расплав становится несколько более основным и богатым H2O. Охлаждение такой магмы в камере, расположенной на небольшой глубине, при постоянном давлении вызывает осаждение большинства железомагнезиальных минералов, так как возрастание aw не понижает их ликвидуса столь значительно, как ликвидуса плагиоклаза.
В противоположность этому внедрение синтектической, содержащей H2O диоритовой магмы в кварц-полевошпатовые породы континентальной коры приводит к прямому растворению кварца и калиевого полевого шпата, так как расплав недосыщен по отношению к этим фазам. Тепло, необходимое для этого процесса, являющееся эндотермическим, получается за счет слабого охлаждения и кристаллизации плагиоклаза и пироксена — минералов, которыми магма насыщена. Однако из-за того, что теплоты растворения кварца и калиевого полевого шпата намного меньше, чем теплоты кристаллизации плагиоклаза и пироксена на единицу массы, кристаллизация 1 % последних минералов способна давать достаточно тепла, чтобы растворить приблизительно 2% кварца или 1,5% калиевого полевого шпата. Следовательно, известково-щелочные магмы, размещенные на малых глубинах в континентальных коровых породах, имеют тенденцию к широким вариациям состава, особенно по кремнезему. Кроме того, весьма вероятно, что более контаминированные из этих магм обычно содержат меньше H2O (за счет разбавления), чем их менее контаминированные аналоги. Это, возможно, объясняет, почему ранние «риолитовые» интрузивы (76% SiO2, 5,1% K2O) в Эль-Сальвадоре, Чили, не обнаруживают следов гидротермальной деятельности, тогда как более поздним гранодиоритовым порфирам (62% SiO2, 3,6% K2O) сопутствует интенсивная гидротермальная деятельность.
Возможным исключением из приведенного выше обобщения, согласно которому ассимиляция коровых пород приводит к уменьшению содержания H2O, является случай, когда магма, содержащая примерно менее 3,0 вес.% H2O, прорывает богатые мусковитом породы при давлении, превышающем 4,0 кбар. В этом случае возможно, что расплав получает небольшое количество H2O. Однако следует заметить, что так как степень кристалличности возрастает от внутренней части внедряющейся магмы к более холодным вмещающим породам, через которые она проходит, то в этом же направлении возрастает содержание H2O в расплаве. Это увеличение содержания H2O в остаточном расплаве пропорционально степени кристалличности, пока содержание H2O не достигнет приблизительно 3,0 вес.%, после чего приобретают устойчивость роговая обманка или биотит. Затем содержание H2O в расплаве остается приблизительно постоянным, пока один из уже выкристаллизовавшихся минералов не будет вовлечен в роговообманково-или биотитобразующую реакцию или пока не исчезнет расплав. Для расплава Нокколдса со средним биотит-роговообманковым гранодиоритовым составом, первоначально содержавшим менее 0,7 вес.% H2O, расплав, составляющий менее 25% магмы непосредственно перед появлением роговой обманки, начнет исчезать при температуре 780° С или выше в зависимости от общего давления (рис. 3.4). Более богатый H2O начальный расплав такого же силикатного состава будет противостоять снижающимся температурам (по направлению к краям интрузии) и в конце концов станет насыщенным H2O.
В вышеприведенных рассуждениях, рассматривающих распределение H2O во внедряющейся магме, не учитывались гомогенизирующие эффекты диффузии и турбулентного потока магмы. Пренебрежение диффузией оправданно, так как экспериментально показано, что диффузия H2O в кислых магмах слишком незначительна, чтобы существенно влиять на перераспределение H2O в пределах геологически приемлемого интервала времени. Смешение, вызванное турбулентным потоком магмы, приводит к уменьшению термических градиентов во внутренней части потока и увеличению их близ стенок. Это в свою очередь оказывает обратное влияние на градиенты Xwm, но не действует на распределение содержания H2O.
С другой стороны, дифференциация — независимо от того, чем она вызвана: гравитационным осаждением кристаллов или влиянием дифференциальной вязкости на перемещение кристаллов при внедрении (фильтр-прессинг), — может привести к заметному перераспределению H2O в магматическом теле. Например, в магме, первоначально содержавшей 3,0 вес.% H2O, осаждение 10 об. % плагиоклаза от уровня А до уровня В, вызывающее перемещение равного объема расплава кверху от уровня В к уровню А, дает магму на уровне А с общим содержанием H2O, равным 3,27 вес.%, и магму на уровне В, в которой содержится лишь 2,7 вес.% H2O от общего ее содержания. Таким образом, дифференциация может вызвать заметную концентрацию H2O в верхних частях магматического тела как до, так и после его размещения. Когда магма насыщается летучими компонентами, дальнейшее уменьшение давления вызывает образование пузырьков, которые поднимаются с относительно большой скоростью.
Хотя краевые части поднимающихся магматических тел должны терять большое количество тепла как за счет кондуктивного обмена, так и в результате реакции ассимиляции с вмещающими породами, через которые они проходят, на внутренние части это, вероятно, не оказывает существенного влияния. Поскольку такие магматические тела диоритового состава находились обычно в равновесии с кальциевым плагиоклазом в области их источника и значение dT/dP для ликвидуса плагиоклаза — отрицательная величина, уменьшение давления при подъеме вызывает кристаллизацию плагиоклаза. Этот процесс экзотермичен за счет скрытой теплоты кристаллизации, следовательно, можно ожидать, что температура внутренней части магмы возрастает. Скорость возрастания составляет примерно 2,0—2,5° С на каждый процент закристаллизовавшегося плагиоклаза, но это частично компенсируется охлаждением за счет адиабатического (изоэнтропийного) расширения, величина которого равна примерно 1,5° С/кбар декомпрессии. Очевидно, что для гранодиоритовой магмы (рис. 3.4) (из которой обычно кристаллизуется 10—15% плагиоклаза), поднимающейся изотермически с 42 до 4 км глубины (от 11 до 1 кбар), скрытого тепла будет более чем достаточно для компенсации эффекта декомпрессии. Таким образом, разумно ожидать, что известково-щелочные магматические тела могут достигать неглубоких коровых уровней и при этом сохранять во внутренней части температуру по крайней мере столь же высокую, как и в области источника. Более того, если гравитационное осаждение плагиоклаза происходит во время и после поднятия, то верхние части магматического тела обогащаются H2O. Осаждение кристаллов может привести также к образованию кумулятивных плагиоклазовых тел (анортозитов) на более глубоких уровнях в магматических камерах большого вертикального протяжения.
При рассмотрении процесса отделения летучих в поднимающейся магме следует также кроме H2O уделить внимание и другим летучим. Если бы диоритовый расплав, содержащий 3,0 вес.% H2O и 0,6 вес.% CO2 в источнике, поднимался до глубины около 18,5 км (~5 кбар), то он бы насыщался CO2, но не H2O. Дальнейший подъем до глубины 15 км будет вызывать отделение в виде пузырьков примерно 17% CO2 (0,1% общей массы). Генерация этой флюидной фазы, в которой H2O растворима, будет приводить к переходу части H2O из расплава в обогащенные CO2 пузырьки. В таких условиях равновесное содержание H2O в пузырьках составляет около 10 вес.%; следовательно, переходит только около 0,01 вес.% H2O. Однако при более низких давлениях иссушающее (или дессикативное) влияние CO2 значительно выше; например, дальнейший подъем магмы до глубины 3,7 км приводит к переходу около 0,14 вес.% H2O во флюидную фазу, составляющую приблизительно 0,55% общего веса и содержащую около 35 вес.% H2O. Таким образом, хотя иссушающее влияние CO2 на единицу массы магмы относительно мало, миграция пузырьков с флюидной фазой вверх на большие вертикальные расстояния (около 15 км в данном гипотетическом примере) могла бы привести к концентрации значительных количеств флюидов, содержащих H2O, в верхних частях магматических камер. Трудно переоценить, насколько важен этот процесс в образовании медно-молибденовых порфировых систем; данные по флюидным включениям, согласно которым включения гомогенизируются при близмагматических температурах и обычно содержат менее 12 вес.% CO2, подтверждают, что первой флюидной фазой, отделившейся от порфировых магм, является обогащенный H2O (но не CO2) флюид, аналогичный флюидам, связанным с более базальтовыми магмами. Дальнейшее обсуждение вопроса о распределении компонентов между сосуществующими силикатной и флюидной фазами будет осуществлено после описания процессов, связанных с кристаллизацией водосодержащих магм на малых глубинах.
Главная