Влияние условий кристаллизации на структуру магматических пород




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Влияние условий кристаллизации на структуру магматических пород

Влияние условий кристаллизации на структуру магматических пород

22.08.2017


Факторы, влияющие на процесс кристаллизации магм, можно условно разделить на термодинамические и кинетические. Классическая термодинамика описывает движущие силы и параметры протекания процесса кристаллизации в "идеальных" условиях, т.е. при постоянно сохраняющемся равновесии в системе. Так, для каждой магматической системы при помощи термодинамики можно определить равновесный порядок кристаллизации минералов из расплава, температуру начала и окончания этого процесса, изменение состава расплава по мере его кристаллизации и т.д. Однако в природе во многих случаях внешние условия, например, температура и давление, изменяются слишком быстро, и система не успевает прийти в состояние полного равновесия. В результате процессы внутри системы происходят при параметрах, отличающихся от равновесных, во многих случаях не доходят до своего завершения или даже полностью блокируются из-за влияния кинетических факторов. Всем известным примером подобных метастабильных состояний является нахождение на поверхности Земли глубинных минералов, образующихся при высоких температурах и давлениях, например, алмаза, для которого стабильным состоянием в поверхностных условиях был бы графит. То есть, в классической термодинамике не учитывается время, за которое произойдут изменения, хотя часто как раз этот кинетический фактор определяет наблюдаемый результат процесса.
При кристаллизации магматических расплавов также именно кинетические факторы оказывают решающее влияние на структуру и текстуру образующихся пород. Так, большинство вариаций структур магматических пород можно объяснить соотношением скоростей двух последовательных кинетических процессов, через которые проходит каждое кристаллизующееся зерно - нуклеации (зародышеобразования) и последующего роста кристалла. Рассмотрим подробнее каждый из них, а также факторы влияющие на скорости их протекания.
Зародыши кристаллов имеют диаметр от десятков до первых сотен ангстрем. Поэтому значительный вклад в свободную энергию зародыша вносит поверхностная энергия, влияние которой возрастает по мере уменьшения его диаметра. Многочисленные исследования процесса нуклеации позволяют выделить некоторые основные закономерности этого явления:
- кристаллизация всегда начинается при температуре более низкой, чем равновесная, т.е. для самопроизвольной нуклеации кристаллической фазы необходима некоторая степень переохлаждения расплава;
- при переохлаждении расплава нуклеация находится под влиянием двух противоположных факторов: движущей силой процесса является термодинамический фактор - разница свободной энергии расплава и кристаллической фазы, которая возрастает по мере понижения температуры расплава; однако этому процессу препятствует кинетический фактор - вязкость расплава, экспоненциальное увеличение которой при снижении температуры, приводит к уменьшению подвижности атомов в расплаве и, следовательно, препятствует образованию зародышей. Поэтому при нарастающем переохлаждении расплава скорость нуклеации сначала возрастает, достигая максимума, а затем уменьшается почти до нуля при переохлаждении на несколько сотен градусов (рис. 3.32);
- скорость нуклеации минералов пропорциональна квадрату энтропии плавления минерала, ASm2, Энтропия плавления (а значит и скорость нуклеации) последовательно возрастает в ряду калиевый полевой шпат-альбит-анортит-пирокеены-оливин-оксиды железа и титана.
После образования зародышей кристаллов начинается стадия их роста. Роль поверхностной энергии на этой стадии уже не столь существенна, все прочие основные факторы остаются теми же - при понижении температуры рост зерен стимулируется увеличением разницы свободной энергии кристаллов и расплава и замедляется вследствие повышения вязкости расплава. Поэтому график зависимости скорости роста кристаллов от степени переохлаждения расплава (рис. 3.32) также проходит через максимум, после которого влияние возрастающей вязкости начинает преобладать, и рост кристалла замедляется вплоть до нуля при переохлаждении на сотни градусов.
Обратим внимание, что графики зависимости скоростей нуклеации и роста кристаллов от температуры расплава не совпадают (рис. 3.32) - наибольшие скорости роста приходятся на более высокие температуры, чем скорости нуклеации, разница между ними составляет первые десятки граду сов. Вследствие этого возникает несколько различных режимов кристаллизации в зависимости от степени переохлаждения расплава:
- небольшое переохлаждение (температура Tа на рис. 3.32), возникающее при низкой скорости охлаждения магмы, что характерно для кристаллизации внутренних частей интрузивных массивов и вкрапленников вулканических пород. В этом случае в результате медленной нуклеации и высокой скорости роста образуется небольшое количество крупных кристаллов, формируя полнокристаллические структуры интрузивных пород или порфировые вкрапленники вулканических пород;
- средняя степень переохлаждения (температура Tb на рис. 3.32) характерная для средних и высоких скоростей охлаждения магмы в краевых частях интрузивных массивов, жильных и вулканических пород. При таких условиях возрастает количество зародышей и снижается скорость их роста, благодаря чему образуется множество мелких кристаллов, слагающих тонко/мелкозернистые полнокристаллические структуры и основную массу вулканических пород;
- высокая степень переохлаждения (температура Tс на рис. 3.32) возникающая при стремительном охлаждении магмы на поверхности лавовых потоков и при излиянии лавы в воду или лед приводит к образованию стекла, т.к. скорости нуклеации и роста кристаллов близки к нулю.

Таким образом, структура магматической породы зависит от степени переохлаждения застывающего расплава, которая в свою очередь определяется скоростью охлаждения магмы -наиболее существенным фактором процесса кристаллизации. Как известно, скорость охлаждения магмы может варьировать в очень широких пределах - от сотен градусов в сутки на поверхности лавовых потоков до нескольких градусов в тысячелетие в центрах крупных интрузивных массивов. Очевидно, что скорость охлаждения определяется мощностью или размером остывающего магматического тела, а также глуби ной его формирования - увеличение обоих этих параметров приводит к уменьшению скорости остывания и образованию более раскристаллизованных пород.
Несколько меньшее, но также существенное влияние на структурно-текстурные особенности породы оказывает вязкость магматического расплава. Влияние этого фактора па скорости нуклеации и роста кристаллов было рассмотрено выше. Однако помимо температуры, вязкость магматического расплава зависит от содержания в нем кремнекислоты и растворенных летучих компонентов. Повышение содержания SiO; приводит к увеличению вязкости расплава, а летучих компонентов - напротив, к ее снижению. Поэтому для кислых дегазированных лав характерно застывание в виде стекла, одним из видов которого является всем известный обсидиан, а количество стекла в продуктах кристаллизации основных базальтовых лав при тех же скоростях охлаждения не превышает первых процентов. Снижение вязкости расплава благодаря высокому содержанию в нем флюидной фазы, вероятно, является одной из причин образования крупных кристаллов в пегматитах.
Влияние растворенной флюидной фазы на процессы кристаллизации отражено па рис. 3.33, показывающем зависимость скорости роста кристаллов плагиоклаза от степени переохлаждения расплава при различном содержании в нем воды. При этом снижение скорости роста после Tmax в сухом расплаве происходит много быстрее, чем в маловязком водном расплаве с высокой степенью деполимеризации.
Переохлаждение расплава влияет также и на форму кристаллизующихся зерен минералов. Тенденция изменения формы зерен в зависимости от степени переохлаждения расплава сходна для всех минералов. Рассмотрим ее на примере плагиоклаза (рис. 3.34). При небольших переохлаждениях (порядка 10°) и скоростях остывания (менее нескольких градусов в час) кристаллы плагиоклаза имеют таблитчатые очертания, характерные для медленно остывающих абиссальных интрузивных пород и вкрапленников в эффузивных породах.

При переохлаждениях порядка 100°C и скоростях остывания в десятки градусов в час образуются футляровидные и скелетные кристаллы, встречающиеся в основной массе эффузивных пород. При еще больших степенях переохлаждения образуются ветвящиеся дендритовидные кристаллы, а при скоростях остывания в сотни градусов в час и падении температуры ниже солидуса формируются сферолиты - шаровидные скопления радиально сросшихся нитевидных кристаллов, встречающиеся в быстро остывающих подводных базальтовых пиллоу-лавах.
Заметное влияние на размер и форму зерен в магматических породах так же оказывают явления, происходящие в них уже после кристаллизации - частичное растворение (резорбция) кристаллов и вторичное переуравновешивание межзерновых границ. Резорбция ранее выделившихся кристаллов может происходить при смешении мага, изменении интенсивных параметров системы, ассимиляции магмой вмещающих пород. Вторичное переуравновешивание межзерновых границ характерно для медленно остывающих тел непосредственно после завершения кристаллизации, пока температуры еще достаточно высоки для эффективной диффузии по границам зepeн. Так проявляется стремление системы к снижению свободной энергии за счет сокращения поверхностной энергии. Этот процесс изучен экспериментально на примере магм базальтового и гранитного составов.
В заключении этого раздела хотелось бы обратить внимание на то, что еще недавно казавшийся незыблемым критерий установления порядка кристаллизации минералов на основе относительного идиоморфизма контактирующих зерен может не выполняться. В самом деле, экспериментальные исследования показали, что минерал с более правильными кристаллографическими очертаниями вовсе не обязательно кристаллизовался раньше другого, форму которого он нарушает. Эти минералы могли начать кристаллизоваться одновременно или даже в обратном порядке, а их взаимоотношения просто отражают разные скорости роста. Например, офитовая структура с явно выраженным идиоморфизмом плагиоклаза по отношению к клинопироксену изначально воспринималась петрографами как явное отражение более ранней кристаллизации плагиоклаза, однако это не так - порядок кристаллизации этих минералов может быть различным (рис. 3.35). Для возникновения этой структуры необходимы лишь два условия, возникающие при определенной степени переохлаждения расплава:
1) большее число центров кристаллизации плагиоклаза, чем клинопироксена;
2) скорость роста торцевых граней плагиоклаза существенно превышающая скорость роста его продольных граней.