Гравитационное фракционирование кристаллов

Введение. Гравитационное фракционирование кристаллов описывает погружение или всплывание первичных кристаллов в магме в общем виде как результат их большей или меньшей плотности по отношению к вмещающему расплаву. Определение скорости движения частиц в жидкости (форма которых считается сферической для простоты расчетов), если сферические частицы не превышают определенного размера, производится по закону Стокса, который выражается следующим уравнением:

где v — конечная скорость; g — ускорение свободного падения; г — радиус частицы; d1 и d2 — соответственно плотности частиц и жидкости; n — вязкость жидкости; К— константа, зависящая от единиц измерения.
Очевидно, наряду с другими причинами, более крупные частицы будут двигаться быстрее, со скоростью, пропорциональной квадратам их радиусов, а незначительные различия в плотности частицы и жидкости или высокая вязкость будут уменьшать скорость относительного движения. Установленные или рассчитанные значения плотностей минералов и магм, размеров первичных кристаллов и вязкости расплавов показывают, что все темноцветные минералы, очевидно, должны неизбежно тонуть в основной магме (как и кальциевый плагиоклаз), а поведение плагиоклазов промежуточных составов будет зависеть главным образом от их состава и соответственно от плотности магм, подвергающихся фракционированию; лейцит будет всплывать в сравнительно очень редких калиевых основных расплавах, из которых он кристаллизуется, по относительное движение любого первичного кристалла в кислых магмах будет очень медленным или ничтожным благодаря их преимущественно незначительно более высоким вязкостям, которые, как известно, у гранитов могут существенно уменьшаться в присутствии больших количеств растворенных H2O, HF и т. д.
Как уже было показано, в связи с процессами кристаллизации застывания образовавшиеся первыми из базальтовых магм кристаллы являются сравнительно высокотемпературными компонентами серий твердых растворов и их общий состав в любых соотношениях не соответствует составу магмы, из которой они выкристаллизовывались, Таким образом, удаление первичных кристаллов путем погружения или всплывания значительно меняет состав остаточной жидкости и, следовательно, приводит к значительной дифференциации.
Исходя из доказательств, полученных при изучении крупных расслоенных базитовых интрузий (где последовательные серии первичных кристаллов сохраняются в виде кумулатов), и на основании химических данных по вулканическим породам различных магматических серий родственных базальтам (где последовательные составы жидкостей сохраняются преимущественно в афировых швах или, наоборот, в основной массе порфировых разновидностей) в петрологии принято считать, что кристаллическое фракционирование играет важную роль в непосредственной дифференциации этих пород. Петрохимия вулканических серий позволяет особенно точно моделировать кристаллическое фракционирование путем последовательного удаления из магматических жидкостей (начиная с исходной магмы) определенных количеств первичных кристаллов, составы которых эквивалентны наблюдаемым (или рассчитанным) составам фенокристаллов, В идеальном случае эти модели могут быть проверены даже без учета различий между фенокристами, поскольку сравнительно немногие главные породообразующие оксиды обладают более или менее значительными вариациями составов. Кроме того, следует ожидать, что отделение должно предопределять эффект концентрации многих рассеянных элементов в последовательных сериях жидкостей, образовавшихся при фракционировании. Нельзя не отметить, что, хотя фракционирование часто считается эффективным процессом, очевидно, на самом деле реальных примеров, в которых был бы показан сравнительно полный баланс петрогенных и рассеянных элементов в последовательных жидких фракционатах, пока еще сравнительно немного. Отметим также, что, хотя физическое удаление первичных кристаллов путем погружения — очень продуктивный способ фракционирования, в целом эффект этого процесса сравним с действием кристаллизации застывания; эффективность каждого из этих процессов увеличивается явлением, которое теперь принято называть адкумулатным ростом кристаллов.
Представления о гравитационном фракционировании кристаллов не новы. Их еще изложил Чарльз Дарвин, который во время своего путешествия на корабле «Бигль» наблюдал порфировые андезиты и связанные с ними лавы различного состава в Чилийских Андах. Относительное всплывание кристаллов лейцита в магме, обычно концентрирующихся в первых продуктах циклических извержений Везувия, было давно известно. Н. Юссинг в прекрасном описании сильнощелочной интрузии Илимауссук (Южная Гренландия) сообщил о всплывании содалитовых кристаллов с образованием науяита и о погружении кристаллов арфведсонита, эвдиалита и т. д. с возникновением какортокитов и постулировал, что дифференциаций частично может быть объяснена старыми принципами механической сепарации кристаллов под действием силы тяжести из магмы. Р. Дели в 1933 г. привел не менее 54 примеров согласующихся расслоенных интрузий, большинство из них Сформировалось из базитовых родоначальных магм и имеют убедительные признаки гравитационного фракционирования.
Скергаардская интрузия. Как бы то ни было, однако сравнительно ранняя работа Л. Уэджера и В. Дира, посвященная С чергаардской интрузии в Восточной Гренландии, на которую чаше всего ссылаются в петрологии изверженных пород (наряду с теоретической работой Н. Боуэна), является тем главным поворотным моментом, начиная с которого действительно петрологи с энтузиазмом восприняли наглядность и возможности моделей кристаллического фракционирования. Эта работа все еще заслуживает того, чтобы каждый студент, изучающий петрологию изверженных пород, прочел ее. В ней приведены результаты полевых исследований, тщательных аналитических работ и многочисленные иллюстрации. Поздняя, более точная и более приемлемая общая номенклатура была использована в сравнительно сжатом описании Скергаардской и других расслоенных интрузий Л. Уэджера и В. Брауна. Какие же особенности Скергаарда, делая скидку па отставание в петрологических знаниях, вызванном второй мировой войной, позволили причислить исследования Л. Уэджера и
В. Дира к разряду классических работ? Во-первых, это удивительно точная связь наблюдаемой последовательности кристаллизующихся минеральных фаз и их составов с классической экспериментальной работой (при давлении в 0,1 МПа) Н. Боуэна и его помощников. Во-вторых, породы интрузии послужили пробным камнем для принципов В. М. Гольдшмидта, управляющих замещением атомов, и позже позволили выяснить распределение рассеянных элементов во время фракционной кристаллизации. Это направление исследований получило развитие в последующих работах, в которых были использованы современные аналитические методы, дающие возможность определять специфические элементы и увязывать их содержания с современными концепциями замещения. Нa примере пород интрузии изучалось поведение изотопов стронция но время фракционирования. Позднее была предложена модель образования двух несмешивающихся жидкостей на самых ранних стадиях фракционирования скергаардской магмы. Таким образом, данная магма является уникальным примером того, как интрузия или провинция, будучи классическими объектами, тем не менее, становятся ареной борьбы новых концепций и направлений и петрологии. Замечательный пример этого — тщательная новая интерпретация механизма кристаллизации Скергаардской интрузии, проведенная А. Мак-Бирни и Р. Нойсом. Исходя из полевых и структурных доказательств и теоретических данных, касающихся вязкости, теплового переноса, скорости кристаллизации и плотностей минералов, особенно предположительно низкой плотности плагиоклаза, который рассматривается как кумулятный минерал, выявляется сравнительно большая роль кристаллизации застывания в собственно расслоенной серии пород.

Интрузия прекрасно обнажена в недавно покрытых ледниками береговых горах, воздымающихся на 2000 м. В ней выделяются: толеитовый закаленный край, оболочка краевой группы пород, состоящая из застывших кумулатов, серия расслоенных пород, первоначально аккумулировавшихся на уплощенных блюдцеобразных поверхностях, представляющих последовательно поднимающуюся поверхность раздела нижняя магма — отвердевшие породы в кристаллизующейся магматической камере (рис. 4). Здесь имеются очевидные доказательства появления четко выраженных текстур, сходных с осадочными, таких как гравитационная и косая слоистость; местами развиты направленные вовнутрь директивные, сходные со сквозными текстуры; относительная концентрация темноцветных минералов в слоях, прослеживающихся через всю интрузию, подтверждает существование конвекционных потоков внутри магматической камеры; все это в дополнение к предполагаемому простому гравитационному осаждению первичных кристаллов содействовало образованию наблюдаемой в данном комплексе расслоенности. Кроме того, значительная расчлененность местности, в пределах которой распространены расслоенные серии, а также общий наклон последних в результате внедрения интрузии примерно на 20°, связанный с Восточно-Гренландской флексурой земной коры, удачно увеличили обнаженную мощность расслоенной группы до 2600 м.
Расслоенные серии являются сериями солидусных кристаллов, обладающими прогрессивным и систематическим изменением составa при движении вверх по разрезу, каким бы особым способом они не образовались. Это первичные кристаллы, принадлежащие преимущественно к сериям твердых растворов. Последние кристаллизовались в равновесии с магмой, подвергавшейся интенсивному фракционированию, благодаря значительному удалению первичных кристаллов из жидкой магмы в результате их аккумуляции на поднимающемся дне магматической камеры. Эти изменения составов кристаллов при движении вверх по разрезу расслоенной серии вначале были определены как скрытые вариации, теперь для обозначения этого явления используется термин скрытая расслоенность. Термин скрытая, конечно, применяется в связи с тем, что Изменения состава не могут быть обнаружены непосредственно в образцах, а устанавливаются только по оптическим свойствам минералов в шлифе или, более точно, путем анализа индивидуальных кристаллов.
Скрытая расслоенность является ключом к пониманию хода фракционирования с падением температуры во время кристаллизационной истории интрузии. Она в значительной степени независима от таких случайных особенностей, как действительные соотношения минералов, присутствующих в различных слоях, и остается постоянной, неуклонно нормальной по направлению вверх, т. е. в наблюдаемых породах низкотемпературные разновидности серий твердых растворов встречаются при движении вверх по разрешу кумулатной серии (так же как во внутренних частях краевых групп). Это явление особенно хорошо заметно по непрерывному характеру скрытой расслоенности, выявляемой по изменению состава плагиоклаза и кальциевого пироксена в интрузии, несмотря нa структурные особенности пород расслоенной серии (рис. 5).

Однако имеется несколько очевидных несогласованностей в составах первичных кристаллов при движении вверх по разрезу: например, ранний магнезиальный оливин сменяется ферромагнезиальным пироксеном, который, в свою очередь, уступает место фаялитовому оливину в верхних частях расслоенной серии. В действительности же эти несоответствия являются результатом непрерывного фракционирования кристаллов. Например, можно показать, как вместо ранней кристаллизации форстеритового оливина им толеитовых расплавов происходит кристаллизация ферромагнозиального пироксена и что в более железистых составах при падении температуры пироксеновое поле сокращается, увеличивая вероятность совместного выделения фаялита и кварца. Рудные минералы и апатит также становятся котектически кристаллизующимися фазами в верхних горизонтах расслоенной серии, когда в кристаллизующейся магме достигается соответствующая растворимость продуктов кристаллизации. Минералогия рудных минералов интрузии детально изучена Е. Винсентом и Р. Филлипсом, а в простейшем виде кристаллизация магнетита, FeO, Fe2O3 зависит от довольно высоких концентраций оксидного железа, которые имеются в кристаллизующейся магме, что достигается главным образом непрерывным фракционированием мафических силикатов, содержащих не столь значительные количества оксида железа, возможно и при дополнительном влиянии fO2 избирательном диффузионном выделении H2 из магматической камеры; водород мог образоваться при диссоциации воды по реакции 2Н20 <—> 2Н2+02, которая может иметь ювенильное и метеорное происхождение. Начало кристаллизации апатита связано в основном с прогрессивным накоплением в кристаллизующейся магме P2O5 во время интенсивного фракционирования различных первичных кристаллов, для которых фосфор не является существенным компонентом.
Данные изменения в парагенезисах первичных кристаллов, в которых главным образом осуществляется непрерывная кристаллизация, являются очевидными картируемыми особенностями аккумулятивных пород расслоенной серии, а также примером того, что называется фазовой расслоенностью.
Кумулаты. В предыдущих параграфах речь шла о первичных кристаллах из пород расслоенной серии, известных как кристаллы кумулуса, и о кумулатных породах, или кумулатах, — это номенклатура, которая широко используется для расслоенных магматических пород.
Кумулатные породы обладают очень характерными структура ми, поскольку они явно образовались в две стадии; исходя из теоретических соображений по осаждению кристаллов в вязкой жидкости с низкой плотностью и на основании экспериментальных данных, вначале происходило осаждение кристаллов с возникновением кристаллической взвеси с промежутками, заполненными жидкостью, и состоящей, как указывают структуры этих пород, примерно на 60 % из кристаллов и на 40 % из магмы. Рассеянная интеркумулусная жидкость, имеющая состав исходной магмы, должна кристаллизоваться позже, при ликвидусной температуре, на соответствующей стадии фракционирования. Этот тип кристаллизации вызывает интерес и имеет большое значение, поскольку его следствием являются две противоположные теоретические возможности.
Принцип первого предположения, так называемой ортокумулатной кристаллизации, интуитивно представляющейся наиболее вероятной, заключается в том, что суммарный состав продуктов кристаллизации интеркумулусной жидкости соответствует составу магмы, находившейся в рассеянном состоянии в виде жидкой сетки среди кристаллов кумулуса. Можно ожидать, что интеркумулусная кристаллизация должна начаться с дополнительного роста вокруг кристаллов кумулуса и развиваться с образованием нормальной зональности по краям минералов из серии твердых растворов, в противоположность в действительности наблюдаемому пезональному характеру собственно кристаллов кумулуса. Дополнительные фазы могут возникать при кристаллизации интеркумулусной жидкости: например, в данной исходной толеитовой магме плагиоклаз, авгит и рудный минерал будут кристаллизоваться между сформированными ранее оливиновыми кристаллами кумулуса; на поздней стадии кристаллизации, представляющей более высокий горизонт кумулусного разреза, в интерстициях плагиоклаз-авгитового кумулата могут появиться небольшие количества кварца и микропегматита и т. д В случае формирования дополнительных интеркумулусных фаз, медленно образующихся в рассеянных центрах кристаллизации, во время длительного охлаждения иптеркумулусной жидкости может образоваться характерная структура. Такие центры роста, иногда удаленные на расстояние до 10 см от пойкилитовых интеркумулусных кристаллов, имеются у ойкокристаллов, содержащих очень большое количество кумулусных кристаллов и других минеральных разновидностей. Cпособпость материала к диффузии через интеркумулусную жидкость с образованием таких ойкокристаллов позволяет предполагать другую возможность, уже упоминавшуюся в случае кумулатов затвердевания и резко противоположную ортокумулатной кристаллизации.
Образование адкумулатов — другой вариант кристаллизации. Oн возможен вследствие того, что кристаллы кумулуса во взвеси действуют как уже готовые ядра для продолжающейся кристаллизации интеркумулусной жидкости, как и в первом варианте, о котором шла речь выше. Вначале эта кристаллизация будет приводить к дополнительному росту кристаллов того же состава, что и кристаллы кумулуса. Однако впоследствии диффузия между кристаллизующейся интеркумулусной жидкостью и исходной магмой может привести к равновесию их составов. Из-за такого процесса дополнительного роста кристаллов кумулуса возможно полное отвердевание при температурах, соответствующих или немного более низких по сравнению с начальной магматической температурой образования данных кристаллов. Адкумулатный рост будет определяться присутствием незональных минералов в окончательных продуктах кристаллизации, а также присутствием прослоев собственно мономинеральных пород — дунита, анортозита и т. д., образующихся из слоев мономинеральных кумулусных зерен (явление, которое не должно было бы иметь место, если интеркумулусная жидкость действительно кристаллизовалась в закрытой системе, как в теоретическом случае ортокумулатов).
Следующий вариант гетерадкумулатного роста — текстурная разновидность, возникающая при адкумулатном. росте с увеличением температуры, которая встречается в том случае, если фаза (или фазы), отличная от любых кумулусных фаз, в особом слое может кристаллизоваться из интеркумулусной жидкости, но кристаллизующаяся таким образом фаза (фазы) имеет состав, соответствующий температурным условиям кристаллизации минералов кумулуса. Таким примером может быть серия плагиоклаз-оливин-авгитовых кумулатов, содержащих слой плагиоклаз-оливиновой кумулатной породы, которая сама содержит интеркумулусный авгит того же состава, что и кумулусный авгит в соседних слоях. Именно эта особенность состава отличает гетерадкумулатный рост от ортокумулатных структур, которые существенно сходны с первыми. Ойкокристаллы, как указано выше, в действительности сравнительно более обычны среди гетерадкумулатов, чем ортокумулаты, преимущественно вследствие небольшой скорости охлаждения, благоприятствующей адкумулатному росту и медленной скорости кристаллизации как отражение очень незначительной степени переохлаждения интеркумулусной жидкости.
Особенности минералогии, структур и состава, являющиеся результатом интеркумулусной кристаллизации большинства кумулатных пород, в действительности показывают сочетание двух экстремальных возможностей орто- и адкумулатной кристаллизации и могут быть, таким образом, обоснованно названы мезокумулатами. Учет скоростей охлаждения предполагает, что кумулатные слои в небольших расслоенных интрузиях формировались сравнительно быстро, что благоприятствовало высокому содержанию ортокумулатного компонента в интеркумулусиом материале (как это отмечалось у многих скергаардских пород); в крупных же интрузиях при более низкой скорости аккумуляции создавались благоприятные условия для адкумулатного роста (как это видно на примере пород Бушвельда). Однако обобщения и непроверенные гипотезы довольно опасны в геологии (где сами породы являются окончательными судьями в поисках научней истины), и действительно, в расслоенных породах некоторых интрузий орто- и адкумулятныЙ рост обнаруживается примерно в равных соотношениях. В Скергаардской интрузии, например, наблюдается наибольшее количество адкумулатных структур в верхних слоях обнаженной, рассеянной серии.
Объяснение, изложенное выше и исходящее из простого «кристаллического осаждения», является подходом Л. Уэджера с соавторами. А. Мак-Бирни и P Нойс в своей новой интерпретации возражают против кумулуспой номенклатуры и рассматривают ее как неудачную с точки зрения генетических представлении- все еще обычная тенденция для магматической петрологии. Тем не менее химическое влияние системы расплава (интеркумулусного — прим. перев.) на оставшуюся магму (наши современные представления) при противоположных «адкумулусной» и «ортокумулусной» кристаллизациях то же самое, хотя в целом породы образовались либо путем кристаллического осаждения, либо при кристаллизации застывания, и названия, таким образом, сохраняются. Необходимо понять, что адкумулатный рост представляет оконченную сепарацию солидусного материала из кристаллизующейся магмы при ее ликвидусной температуре и, следовательно, является наиболее эффективным способом фракционирования. Однакo это не отрицает того, что мезокумулатный рост или даже ортокумулатный рост, в котором полное отделение солидусного материала из жидкости не достигается, является также потенциальным способом фракционирования во время кристаллизации интрузии.
He следует считать, что наиболее отчетливые кумулатные структуры, наблюдаемые среди прочих в шлифах, установлены там, где в породе встречается только одна кумулусная фаза: противоположные орто- и адкумулатные механизмы приводят к образованию характерных и легко устанавливаемых продуктов, таких Как явные интеркумулусные структуры, часто с ойкокристаллами С одной стороны или мономинеральными породами с другой. Напротив, там где имеется несколько кумулусных фаз, например плагиоклаз и два пироксена, интеркумулусная кристаллизация стремится к добавлению и изменению формы всех первичных кристаллов кумулуса, что приводит к образованию типичной габбровой структуры и маскирует кумулатную природу породы при paссмотрении ее как в образце, так и в шлифе (хотя кумулатное происхождение, конечно, можно с успехом предположить исходя из расслоенности и других особенностей текстур, наблюдаемых в поле). В некоторых очень крупных расслоенных базитовых интрузиях — Бушвельдской и Стиллуотерской, остывавших очень медленно, субсолидусная перекристаллизация воздействовала на часть ультраосновных кумулатных пород разреза. Это привело к появлению равномерно-зернистых структур с прямолинейными границами и точками тройных сочленений, что маскирует первичную кумулатную структуру. Это очень важно в том случае, когда петрологи пытаются установить раннюю структуру для интерпретации строения ультраосновных нодулей в щелочных основных лавах.
Химический анализ кумулатных пород, хотя ему все еще отдают предпочтение, приносит мало пользы; поскольку эти породы принадлежат главным образом к явным расслоенным сериям, отдельные образцы, отобранные для анализа, хотя и из того же самого структурного горизонта интрузии, однако могут значительно менять свой состав по содержанию различных кумулусных фаз, из которых они состоят, что является случайностью и будет отражать незакономерные различия в химическом составе. Более того, куму латные породы содержат большое количество интеркумулусного материала, представленного неизвестным количеством продуктов орто- и адкумулусной кристаллизации, различных по составу. Состав кумулусных пород никогда не будет соответствовать составу магмы и является только неточным параметром фракционирования. Важное значение имеет определение составов минералов кумулуса оптическими и аналитическими методами. Именно они точно характеризуют фракционирование магмы.
Составы кумулатных плагиоклаза и оливина из самого нижнего обнаженного горизонта скергаардской расслоенной серии соответствуют Аn66 и FO67 Они более натровые и железистые, чем составы фенокристов в базальтах или минералов самых ранних кумулатов застывания скергаардской краевой группы. Учитывая базальтовый тип родоначальной магмы, на что указывают минералогия и состав пород краевой закалочной зоны интрузии, минералы нижней расслоенной серии позволяют предположить, что еще до их образования произошло значительное фракционирование. Нижние части разреза скергаардской расслоенной серии, к сожалению, скрыты под уровнем моря, но они сложены преимущественно кумулатами ранних этапов кристаллизации и содержат более высокотемпературные минеральные парагенезисы. Объем «скрытой» расслоенной серии был изобретательно рассчитан на основании химических параметров и составляет около 70 % или, возможно, несколько меньше.
Другие толеитовые расслоенные основные интрузии. Другие расслоенные основные интрузии, также толеитового характера, имеют сходство со скергаардским кумулятивным разрезом. Большая Стиллуотерская интрузия (шт. Монтана), довольно полно описанная Г. Хессом, имеет обнаженное основание, и ее непрерывный расслоенный разрез продолжается вверх на значительное расстояние до несогласного перекрытия осадочными породами. Соответственно составы кумулусных минералов в ее самых верхних горизонтах довольно близки к составам тех же минералов из самых нижних обнаженных кумулатов Скергаардской интрузии, так что расслоенные сепии этих двух интрузий, хотя одна из них вдвое больше по размерам, могут быть объединены и, таким образом, может быть получен непрерывный целый образец скрытой расслоенности.
Полным непрерывным разрезом обладает Бушвельдская интрузии (Южная Африка), самая крупная основная интрузия в мире, максимальный диаметр которой составляет около 400 км, а мощность разреза оценивается в 9 км. На рис. 6 показаны кумулусные минералы и их составы из довольно полной фракционированной серии, принятая в настоящее время интерпретация которой является классической, так же как работы по Скергаардской, Стиллуотерской и другим интрузиям.
В Скергаардской интрузии кумулаты застывания обнажены в кровле краевой группы, и здесь характер фракционирования предполагает, что, за исключением влияния незначительной и проблематичной ассимиляции материалом гнейсовых включений, ее кристаллизация проходила в закрытой системе, где базальтовая магма подвергалась фракционированию in situ. Очень эффективное фракционирование мезокумулатов привело к образованию не более чем 2 % кислых гранофировых пород (исходя из учета в расчетах и скрытой части расслоенной серии). Возможно, что па последних стадиях фракционирования кислая магма этого состава была представлена несмешивающейся жидкостью с железистым расплавом, который кристаллизовался в виде феррогаббро в самой верхней части разреза. Однако очевидно, что полевые наблюдения позволяют говорить об определенном ограничении на количество остаточных кислых пород гранитного состава, которые могли формироваться из базитовой магмы соответствующего толеитового состава в процессе фракционирования. Установленные в поле взаимоотношения кислых пород в более крупной Бушвельдской интрузии противоречивы из-за явного образования некоторой части кислых пород при переплавлении кровли интрузии и присутствия независимых более поздних кислых интрузий. Тем не менее общий объем кислых пород, возникших во время внедрения Бушвельдской расслоенной интрузии за счет либо фракционирования, либо анатексиса, также сравнительно мал.

Некоторые из этих интрузий, очевидно, представляли собой открытые системы, на что указывает характер их скрытой расслоенности, который предполагает периодическое удаление частично фракционированного расплава из магматических камер и их пополнение порциями свежей магмы, т. е. они были подземными, периодически пополнявшимися резервуарами во время непрерывных; древних извержений основной магмы на поверхность.
В интрузии Маскокс скрытая расслоенность, хотя и выражена слабо, но выявляется по изменению состава кумулусного оливина и, наряду с незначительным уменьшением фаялитового компонента, здесь установлено заметное увеличение содержания никеля. Поскольку никель имеет явную тенденцию вхождения в наиболее ранние кристаллы оливина, эти данные отчетливо показывают, что в кристаллизующуюся магматическую камеру был приток дополнительных порций свежего расплава. На о. Рам (Гебридские острова) небольшая близповерхностная расслоенная интрузия образовалась из магматической камеры вулкана. Главные ритмические подразделения, выделяющиеся по заметным изменениям количественных соотношений кумулусных оливина, авгита и плагиоклаза, обычно имеют мощность в несколько десятков метров, обогащены оливином в основании и плагиоклазом в верхних частях разреза и, как установлено по результатам работы, посвященной изучению поведения никеля в кумулусном оливине и подтверждающей теоретические предположения, отражают прерывистые поступления свежей магмы. Кроме того, в интрузии Рам известны своеобразные структуры, связанные с временным прекращением выпадения кумулусных кристаллов, что приводило к направленному вверх росту коралловидных агрегатов кристаллов оливина и плагиоклаза высотой до 20 см от границы нижняя магма — кристаллическая взвесь. Эти структуры были первоначально названы гарризитовыми — по району Глен-Харрис, расположенному в центре острова; теперь используется более общий термин применительно к этому типу кристаллизации — кресткумулаты (поперечные кумулаты — примеч. пер.). Они интерпретируются как один из видов кумулатов затвердевания, появляющийся время от времени в расслоенной кумулатной серии, которая образовалась главным образом путем гравитационного осаждения.
Расслоенные интрузии, состав которых отличен от толентового. Приведенные примеры серий солидусных минералов показывают, что их образование, очевидно, связано в основном с родоначальной толеитовой магмой. Большинство известных в мире расслоенных интрузий и наиболее крупные из них в действительности являются толеитовыми. Интересные примеры других интрузий, образовавшихся из магм различного состава, которые явно Испытали гравитационное кристаллическое фракционирование, приведены ниже (в скобках указан вероятный состав исходного расплава).
1. Комплекс Блу-Маунтинс, Новая Зеландия (щелочный базальт).
2. Великая Дайка Зимбабве (высокомагнезиальный базальт).
3. Анортозитовый массив Мичикамау, п-ов Лабрадор (? высокоглиноземистый базальт, направленная вверх аккумуляция кристаллов плагиоклаза, проявленная в значительном масштабе).
4. Гранит Тигссалук, район Ивигтут, Западная Гренландия (обогащенный фосфоритом эпигранит).
5. Интрузия Кунгнат (фаялит кварцевый сиенит).
6. Интрузия Илпмауссук, Южная Гренландия (агпаитовый нефелиновый сиенит).
Описание этих и других расслоенных интрузий приведено в работе Л. Уэджера и Г. Брауна.
Фракционирование в породах силлов. Гравитационное фракционирование кристаллов выше рассматривалось на основании полевых материалов, полученных при изучении крупных интрузий. В некоторых мощных силлах также имеются доказательства дифференциации при осаждении Кристаллов.
Исходя из того, что первые силлы имеют в целом толеитовый состав, в силле Уин на севере Англин мощностью 25—60 м кристаллическое осаждение не зафиксировано; это понятно, поскольку застывание в таком сравнительно маломощном теле протекало слишком быстро для того, чтобы могло произойти дискретное осаждение первичных кристаллов. Кристаллизация значительно более крупного силла Палисадес (мощностью до 300 м), описана выше при рассмотрении кристаллизации застывания. Однако, примерно в 15 м выше основания, в южной, обнаженной части силла имеется хорошо известный оливиновый слой в породах которого при изучении шлифов ясно видно накопление кумулусных кристаллов оливина. Недавно это явление было интерпретировано заново не в связи с кристаллизацией неподвижного магматического тела, а исходя из предположения о том, что кристаллизация уже имеющегося расплава шла в сочетании с поступлением порций новой магмы. Эти процессы произошли в короткий промежуток времени, что привело к появлению внутри тела первичных оливиновых кристаллов, которые смогли аккумулироваться в основании интрузии. Там, где имеются образования оливинового слоя, наблюдается незначительное изменение в характере скрытой расслоенности по составу плагиоклаза, который меняется по форме при движении вверх по разрезу от таблитчатых до ойкокристаллов, что предполагает «пробел» в кристаллизации пород силла. сопровождавшийся повторным поступлением магмы, и в это время возникла возможность для аккумуляции некоторой части оливиновых первичных кристаллов. Даже в некоторых очень мощных толеитовых силлах, принадлежащих формации Карро, имеются свидетельства осаждения кристаллов, и такой преобладающий способ фракционирования в них, очевидно, можно объяснить с позиций кристаллизации застывания. Другими интересными примерами фракционированных толеитовых силлов являются диабазы Ред-Хилс, о. Тасмания, антарктические силлы и диабазовые силлы Гумен-тумари-Копайнанг, Гвиана.
Однако в силлах, кристаллизовавшихся из более щелочных основных магм, в большей степени проявляется тенденция гравитационного кристаллического фракционирования. Отчетливо выраженное гравитационное осаждение в силле Шайант-Айслес (Гебридские острова) мощностью около 150 м, например, привело к образованию в его нижней части 12-метрового слоя пикритовых пород, в которых объемная доля кристаллов оливина составляет свыше 60%. Этот слой имеет четкий верхний контакт с перекрывающими оливиновыми диабазами, содержащими титанистый авгит и переходящими вверх по разрезу в кринанит (оливин-аналь-цитсодержащий диабаз). Оливин из этих диабазов обладает хорошо выраженной зональностью, его центральные части имеют железистость не большую, чем аккумулятивные оливины в залегающих ниже породах (Fo81), а краевые зоны обогащены фаялитом; эти составы характерны для пород верхних частей разреза. Итак, понятно, что после раннего отделения оливиновых кристаллов этот силл кристаллизовался по типу образования кумулатов застывания в строгом соответствии с ортокумулатной кристаллизацией. Весьма вероятно, что аккумулатные оливины уже существовали в виде фенокристаллов во время внедрения магмы, сформировавшей данный силл.
В значительной степени обнаженный силл Шонкиг-Саг (неверно названный лакколитом в ранних публикациях) имеет уплощенную линзообразную форму, диаметр его обнаженной части около 3 км, а мощность составляет в среднем 80 м. Его закаленные края сложены лейцититами (не «мафическим фонолитом», как это указано в некоторых описаниях), которые содержат фенокристаллы авгита, лейцита (в значительной степени замещенного псевдолейцитом) и редкие кристаллы оливина; осаждение кристаллов авгита приводит к образованию шонкинита. Шонкиниты встречаются в виде двух слоев у нижнего и верхнего контактов, в кровле каждого слоя отмечается увеличение количества идиоморфных аккумулятивных кристаллов авгита. Эти породы обладают особенностью, связанной с затвердеванием ранее отделившихся более насыщенных авгитом агрегатов, сформировавшихся из первичных кристаллов, которые, вероятно, присутствовали в виде фенокристаллов в исходной магме. Породы, расположенные между двумя шонкинитовыми слоями, представлены более фракционированными неаккумулятивными нефелин-авгитовыми сиенитами, которые автонитрудированы жилами более железистых эгириновых сиенитов.
В целом аккумулятивные породы сравнительно редки среди силлов; там, где они встречаются, силлы характеризуются следующими особенностями: 1) необычная мощность силлов; 2) присутствие фенокристаллов, действительно образовавшихся во время интрузии, 3) более щелочной сослав исходных магм, обладающих сравнительно низкой вязкостью; 4) расслоение характерно и для коматнитовых силлов со сравнительно низкой вязкостью вследствие высоких температур данных магм.
Фракционирование в липовых потоках. Примеры гравитационного осаждения в лавовых потоках редки. Одним из занимательных примеров является концентрация оливиновых фенокристаллов в направлении к основанию отдельных «подушек» в базальтовых потоках, кристаллизовавшихся из магм щелочной серии в Южной Шотландии. Учитывая быструю скорость кристаллизации подушечных лав, погружение оливина в этом случае должно было произойти очень быстро.
Гравитационное осаждение более типично для потоков перидотитовых коматиитов. В этих высокотемпературных ультрабазитовых высокомагнезиальных расплавах затвердевание шло быстро, что следует из примеров скелетных и дендритовых форм кристаллов; замечательным примером этого являются хорошо известные структуры спенифекс, образованные оливином, авгитом и рудным минералом. Несмотря на такую быструю кристаллизацию, некоторые более крупные потоки содержат оливиновые кумулаты в нижних частях и авгитовые в средних, дифференциация в этих случаях проходила путем гравитационного осаждения. Наличие многочисленных мелких кумулусных кристаллов в этих породах предполагает быструю нуклеацию и простое осаждение — особенности, характерные для горячей и сравнительно насыщенной флюидом магмы. В некоторых потоках существуют также доказательства аккумуляции значительно более крупных удлиненных оливиновых кристаллов с дендритовым габитусом.
Имеется описание осаждения оливина в доисторическом лавоном потоке Макаопуи вулкана Килауеа (Гавайские острова); однако мощность потока значительная (70 м) и характер осаждения в нем скорее похож на осаждение в силлах, чем в лавовых потоках.
Поведение рассеянных элементов во время фракционирования кристаллов. Уже отмечалось, что характер изменения содержаний петрогенных элементов в фракционирующей магме регулируется последовательностью, составом и количеством фракционированных кристаллических фаз, включая удаление одного рассеянного элемента, а именно хрома в результате фракционирования выделившихся фаз и хромита. Большинство рассеянных элементов различно по характеру распределения и встречается преимущественно в небольших, но значительно меняющихся концентрациях в кристаллических решетках фракционированных минеральных фаз. Содержания рассеянных элементов в магме, подвергающейся фракционированию, будут в основном зависеть от их распределения между образующейся последовательностью осаждения кристаллизующихся минералов и постоянно меняющимися составами магмы.
Одними из первых это очень важное явление изучит Л. Уэджер и Р. Митчелл путем сравнения содержаний рассеянных элементов в минералах скергаардской кумулатной серии с рассчитанными составами последовательно образующихся жидкостей. Составы этих жидкостей рассчитаны исходя из изучения геометрии интрузии, валового состава кумулатов и состава родоначальной магмы. Впоследствии эти расчеты были уточнены при изобретательном и детальном рассмотрении концентраций титана, фосфора и других элементов. Представления и обсуждения Л. Уэджера и Р. Митчелла, в которых поведение рассеянных элементов было изначально связано с классическими принципами В, М. Гольдшмидта, в значительной степени актуальны и сегодня, хотя принципы, управляющие замещением, были дополнены сведениями об электронной связи и положениями теории о кристаллическом поле. Полезно нанести на диаграмму и объяснить составы последовательных скергаардских ликвидусов, выраженных в виде процентного содержания кристаллизовавшейся магмы, используя данные Л. Уэджера и Р. Митчелла. Для этого следует использовать логарифмический масштаб, так как в нем можно ясно показать характер поведения элементов, содержания которых отличаются на несколько порядков.
Остаточные рассеянные элементы, такие как Rb, Y и Zr, относятся к числу тех, которые не входят в кристаллическую структуру формирующихся минералов, и, таким образом, их концентрации повышаются в расплаве в ходе кристаллизации. Максимальная степень их возможной концентрации — это четырехкратное увеличение содержаний, после того как половина расплава кристаллизуется и т. д. Этот теоретически максимальный градиент хорошо определяется прямой с использованием логарифмического масштаба в координатах концентрации — содержание кристаллизовавшеюся расплава.
Никель имеет явную тенденцию вхождения в кристаллизующийся оливин, и, следовательно, наблюдается сильное уменьшение концентраций этого элемента в расплаве во время ранних стадий кристаллизации. Аналогично ведет себя и хром.
Титан, оксид железа (III), ванадий и фосфор ведут себя как остаточные элементы, их концентрации увеличиваются в расплаве до тex пор, пока ильменит, магнетит и апатит не становятся кристаллизующимися фазами, после чего концентрации этих элементов и расплаве уменьшаются.
Стронций ведет себя как остаточный элемент до тех пор, пока нe начнет кристаллизоваться плагиоклаз, затем его концентрации в расплаве постепенно уменьшаются, поскольку он не всегда фракционируется плагиоклазом.
Изучение концентраций рассеянных элементов в магматических породах дает обширную информацию для описания, определения, классификации и выяснения петрогенезиса серий магматических пород, и в дальнейшем мы будем ссылаться на этот важный раздел в гл. 2—7.
Предполагаемое влияние фракционирования на образование серий вулканических пород на примере комплекса Тингмули. Убедительные полевые доказательства гравитационного осаждения кристаллов в качестве причины фракционирования, а также неоспоримые факты кристаллизации затвердевания, приводящей к аналогичной ситуации и, вероятно, еще более эффективной на значительных глубинах (где температуры вмещающих пород не столь сильно отличаются от температур магмы), не оставляют сомнения и том, что фракционирование жидкость — кристалл, не может не учитываться при рассмотрении процесса образования реальных дифференцированных составляющих вулканических серий магматических пород из базитовых родоначальных магм. В случае дискретной ассоциации члены вулканических серий противоположны составляющим серий дифференцированного интрузивного тела. Однако демонстрация фракционирования в этом случае основывается на предположениях и не является столь непосредственной, как можно было бы ожидать.
Породы расслоенной интрузивной серии представляют, с учетом относительных и небольших допущений, последовательные серии солидусных кристаллических продуктов — агрегаты кумулусных кристаллов. Серии лав, извергавшихся из магматической камеры, в которой происходят процессы кристаллизации и фpакционирования, наоборот, будут представлять ликвидусную генетическую линию, которая может быть прослежена по сохранившимся лавовым породам.
В качестве примера рассмотрим хорошо обнаженное неогеновое вулканическое сооружение Тингмули (Восточная Исландия), расположенное среди лавовых потоков существенно толеитового состава — продуктов трещинных извержений. Преимущественно афировые, резко порфировые лавы и гипабиссальные породы принадлежат к одному вулканическому комплексу, однако они изменяются по составу от оливинового толеита (через толеит и промежуточные типы пород) до риолита. И. Кармайкл наглядно показал, как теоретически можно получить последовательные члены этой серии при фракционировании фаз первичных кристаллов, соответствующих реальным фенокристаллам в наименее сложных членах данной серии.

В табл. 1 показаны: 1) петрографические типы пород, составляющие в действительности непрерывную лавовую серию Тингмули; 2) примерные соотношения этих пород в пределах вулканического конуса, связанного с вулканом Тингмули центрального типа; 3) содержания в них кремнезема; 4) их индексы дифференциации; 5) значения величины M (магнезиальности пород); 6) состав фенокристаллов. Вкрапленники встречаются редко в породах данной серии, и большинство лав представлено афировыми разновидностями, что имеет положительное значение для определения их валового состава, так как афировые лавы наиболее соответствуют составу исходной магмы, за исключением лишь летучих компонентов В кристаллизующихся фазах фенокристаллов наблюдается определенная закономерность: постепенное изменение состава плагиоклаза и обогащенного кальцием пироксена, как этого следует ожидать в непрерывной серии твердых растворов. При кристаллизации оксидов наблюдается хорошо выраженный разрыв между небольшими количествами раннего хрома и более поздними рудными минералами. Ферромагнезиальные фенокристаллы меняют свой состав от раннего форстеритового оливина через гиперстен и пижонит (эти два вида сравнительно редки, но все же присутствуют иногда в одном и том же образце, например в исландите) до фаялитового оливина. Это образец типичной толеитовой последовательности фракционирования, который довольно сходен с кумулатной последовательностью в базитовых расслоенных интрузиях толеитового состава.
Следует подробнее остановиться на составе исходной магмы серии Тингмули. Примером вряд ли послужат наиболее основные из присутствующих в данной серии пород — пикритовые базальты с наименьшим содержанием SiO2 и самыми большими концентрациями MgО, поскольку они являются аккумулятивными породами, преимущественно механически обогащенными первичными кристаллами форстеритового оливина и хромита главным образом в результате гравитационной дифференциации в магматической камере, происходившей до извержения. Излившиеся их эквиваленты не известны. Наоборот, основная масса такой породы должна была бы незначительно отличаться по составу от родоначальной магмы всей серии, поскольку предполагается, что она представляет состав расплава, находящегося в равновесии с ранними фазами кристаллизации. Альтернативой служит предположение о том, что обогащенные магнием афировые лавы скорее всего являются подходящими кандидатами для исходной магмы (поскольку преобладающая ранняя кристаллизация форстеритового оливина приводит к изначальному обеднению жидкости MgO). Эти соображения позволяют сделать вывод о том, что исходная магма серии Тингмули отвечала по составу оливиновому толеиту. Последний является не тем традиционным типом породы, который петрологи предпочли бы видеть в качестве родоначальной магмы, поскольку сравнительно большие количества в лавовых пачках составляют толеиты, объемы которых в восемь раз больше других пород, по, учитывая физическую сущность процессов фракционирования, нет оснований сомневаться в том, почему именно они должны быть главным типом изверженных пород.
Остановимся подробнее на номенклатуре, используемой при описании пород комплекса Тингмули, поскольку часто возникают типичные трудности, когда происходит смешение петрографической номенклатуры с названиями членов нескольких главных магматических серий, которые принято выделять в настоящее время. Хотя в данном случае они используются как прилагательные, все же термин пикрит в точном значении не имеет ничего общего с вулканической породой, а употребляется для обозначения оливинсодержащей плутонической породы ультраосновного состава (массовая доля SiO2 менее 45 %), объемная доля плагиоклаза в которой более 10 %; кроме того, название пикрит связывается многими петрологами с щелочной породой, содержащей титанавгит. Здесь этот термин используется в связи с обозначением толситов, обогащенных аккумулятивными первичными кристаллами оливина, — в действительности «океанитов». Основные породы, принадлежащие на самом деле к толеитовой магматической серии, названы несколько необычно для петрологов — оливиновыми толеитами, и эти породы должны были бы иметь в своем составе оливиновые фенокристаллы, хотя этот термин может применяться также для некоторых пород комплекса Тингмули, представленных магнезиальными афировыми толеитами с нормативным оливином, в противоположность породам с нормативным кварцем. Следующие две группы среднего состава (массовая доля SiO2 52—66 %); в петрографии такие породы издавна принято называть андезитами. Однако, как отмечает И. Кармайкл, по химическому составу и составу фенокристаллов, а также тектоническому положению они существенно отличаются от сравнительно широко развитых и хорошо известных «орогенных» андезитов. Таким образом, И, Кармайкл довольно правильно дает новое название исландит для обозначения вулканической породы среднего состава, входящей в состав толеитовой фракционированной серии, но до некоторой степени не логично возвращается к старому названию андезит при обозначении андезитобазальтов (почему не базальтовый исландит?) —основных конечных членов в ряду исландитов. Подобная номенклатура промежуточных членов различных серий магматических пород создает трудности, поскольку нет достаточного соответствия принятым традиционным названиям. Эта проблема довольно подробно рассмотрена в работе К Кокса и др.
Сравнительно большое содержание кислых пород (около 20 %) в районе Тингмули, несмотря на особенности химического состава, исключает возможность их формирования но модели фракционирования И. Кармайкл допускает вероятность переплавленных нижних частей коры для образования этих пород. В этой связи Г. Ситюрдсон считает возможным переплавление плагиогранитов (которые сами являются продуктами фракционирования низкокалиевых толеитовых магм) в тектонической обстановке рифтогенеза (Восточная Исландия, очевидно, была перемещена через район восходящего мантийного потока в результате последовательной аккреции Африканской и Азиатской плит), что привело к возникновению риолитовых магм в Исландии. Таким образом, фракционирование, которое обычно привлекают в качестве рабочей гипотезы, не всегда является единственным процессом, приводящим к наблюдаемой дифференциации лавовых серий.