ГлавнаяИз многочисленных параметров, индексов и вариационных диаграмм, основанных на химическом составе, отобрана часть, которая используется в следующих четырех главах. Некоторые из них, наиболее общепринятые для определения вариаций в пределах серий магматических пород, для облегчения ссылок рассматриваются ниже.
Важно отметить, что критерии с использованием состава применяются для двух главных целей: а) чтобы указать стадию дифференциации в пределах данной серии и б) чтобы найти отличия между различными сериями. Если контекст подходящий, то некоторые вариационные диаграммы могут с пользой выполнять обе функции и тогда важно помнить, какая цель преследуется.
Как было указано ранее, спуск по линии ликвидуса, т. е. изменение жидкой фазы магмы, подвергающейся дифференциации, лучше всего проследить путем анализов афиривых лав. Петрологи обычно пытаются воспроизвести этот вид систематического химического изменения в пределах серии на вариационных диаграммах. Чем ближе отдельные точки лежат к сглаживающей кривой и чем они многочисленнее, тем больше доверия тому факту, что имеется некоторая систематическая причина изменения, такая, например, как фракционирование.
Одной из таких вариационных диаграмм является традиционная диаграмма Харкера (с историей использования, восходящей от классической «Натуральной истории изверженных пород» А. Харкера, издана в 1909 г.), в которой различные главные оксиды наносятся относительно кремнезема в качестве абсциссы (рис. 9 ).Двоякий смысл этого состоит в том, что содержание SiО2 обычно показывает наибольшее арифметическое изменение в пределах любой серии магматических пород и что содержания SiO2, по-видимому, возрастают при фракционировании. Однако недостатком этой диаграммы является то, что базальты могут в значительной степени подвергнуться раннему фракционированию, которое в результате котектической кристаллизации оливин+плагиоклаз+авгит не окажет сколько-нибудь существенного воздействия на содержание SiО2 в расплаве. Обоснованием этого служат стехиометрические содержания кремния, приведенные в табл. 3. Ранняя котектическая кристаллизация и фракционирование сопоставимых долей оливина (возьмем, для примера, FО90, плагиоклаза, An75, и пироксена из серии диопсид — гендербергит с 20% гендер-бергитового компонента) приведут в результате к удалению из; магмы кристаллов, содержащих соответственно 41,5; 50 и 54,5% SiO,. Следовательно, их совместное фракционирование в сопоставимых долях не будет иметь значительного эффекта на количество SiO2 в магме, в которой первоначально содержалось его около 48%. Одно лишь удаление оливина на ранних стадиях фракционирования не много стоит, так как удаление оксидов, нефелина или амфибола может увеличить содержание SiO2 в основной магме.
Индекс, который дает наиболее подходящий размах на абсциссе для основного конца спектра серий магматических пород, — индекс Ларсена, появившийся в ранних работах по вулканической серии Сан-Хуан, равен
Имеется модифицированный индекс Ларсена
который объясняет тот факт, что если при раннем фракционировании количество К возрастает, а Mg и Ca уменьшается, то содержание Fe значимо не уменьшается (на самом же деле содержание Fe возрастает до средних членов толеитовой серии).
Другая распространенная вариационная диаграмма предусматривает использование прямоугольных координат для нанесения главных оксидов не относительно содержания SiO2 или образованныx на его основе индексов, как в вариационных диаграммах Xapкера и Ларсена, а относительно индекса дифференциации (DI), равного
т. е. суммы CIPW нормативных Q+or+ab+ne+lc. В действительности, как показали К. Торнтон и О. Татл, любой конкретный состав CIPW будет представлен только тремя из этих нормативных минералов, поскольку нормативный фельдшпатоид появляется лишь в случае отсутствия кварца, а процедура вычисления CIPW превращает весь альбит в нефелин, прежде чем ортоклаз будет преобразован в лейцит даже в более недосыщенных кремнием породах. Индекс дифференциации, используемый в качестве абсциссы. служит эффективным «расширителем» для представления изменений в содержании главных оксидов в пределах любой определенной магматической серии, особенно для основных пород. Однако исходные мафические магмы более щелочных серий магматических пород будут иметь индексы дифференциации, отличные от таковых исходной магмы толеитов за счет присущего им более высокого содержания щелочей, которое компенсируется наличием несколько большего количества натрия в нормативном нефелине, нежели в альбите, имеющим большую относительную молекул ярную массу на единицу содержания натрия, чем нефелин. Продолжающееся фракционирование в пределах серии неумолимо приводит к породам с очень высокими величинами DI, достигающими 100.
Модификацией DI является индекс фракционирования (FI), предназначенный Р, Макдональдом специально для того, чтобы справиться с пересыщенными высокощелочными породами:
т. е. он соответствует сумме CIPW нормативных Q+or+ab+ac+ns. Этот индекс отражает наблюдение Д. Бейли и Дж. Шерера, которые установили, что высокощелочные фельзические расплавы претерпевают фракционные изменения не по направлению к системе петрогенного остатка, а по направлению к эвтектикам, обогащенным щелочными силикатами. У него аналогичны как обоснование, так и применение, но он не столь широко используется, как DL.
Еще два индекса схожестью своих названий приводят к определенным затруднениям. Первый, индекс кристаллизации (Cl), предложенный А. Полдерваартом и А. Паркером, равняется сумме CIPW нормативных анортита, магнезиального диопсида, вычисленного из общего нормативного диопсида, нормативного форстерита, плюс нормативный энстатит, пересчитанный на форстерит, магнезиальной шпинели, вычисленной из нормативного корунда. Второй, индекс отвердевания (SI), который предложил X. Куно, может быть представлен в виде
Так как процесс фракционного выделения плагиоклаза приводит к обогащению расплава натрием и калием относительно кальция, а темноцветных силикатов — к подобному обогащению железом относительно магния, то зачастую демонстрационные вариационные диаграммы (рис. 10) выявляют обогащение на основе этих двух отношений. Явное увеличение крутизны кривой объясняют включением магнетита в число котектически кристаллизующихся фаз. Большое число точек на или близко к непрерывной кривой (причем каждая представляет проанализированный состав лавы, идеально афировой) явно свидетельствует в пользу подразумеваемому допущению о том, что они действительно взаимосвязаны.
Вариационная диаграмма AFM (или FMA) используется в виде треугольника, чтобы показать относительные части щелочей (Na2О+K2O), оксидов железа (FeO+Fe2O3) и оксида магния (MgO). На рис. 11 показаны (для сравнения) тенденции, выявленные при изучении лав Тингмули и при расчете расплава Скергаард. Вариационная диаграмма AFM наглядно показывает значительное обогащение железом, которое, как было установлено, характеризует средние породы, принадлежащие фракционированной серии толеитов, вероятно, из-за того, что интенсивное фракционное выделение железа из расплава должно предполагать кристаллизанию магнетита — сравнительно позднего события в истории кристаллизации толеитовых расплавов, для которых свойственны особенно низкие начальные отношения Fe2О3/FeO. При сравнениях, основанных на этой вариационной диаграмме, необходимо быть внимательным, так как некоторые авторы, для того чтобы избежать случайных изменений, вызванных выветриванием, отмечают общее железо как оксид железа (II) — т. е. они обычно используют FeO+0,9 Fe2O3 для компонента F, а другие даже используют содержание элементов вместо процентов оксидов [а именно (Na + К) : F : Mg], Использование этих меняющихся компонентов в различных диаграммах, конечно же, дает в результате искажение трендов изменения состава, которые, собственно, и пытаются выявить исследователи.
Другой параметр дифференциации в пределах серии основан на отношении Mg/Fe. Главным доводом для его использования является то, что фракционное отделение темноцветных силикатов, в которых отношение Mg/Fe всегда относительно выше, чем в кристаллизующемся силикатном расплаве, дает в результате значительное последовательное снижение этого отношения в процессе эволюции серии. Другим основанием для использования этого отношения служит, как показали в своей работе Ф. Ройдер и Р. Эмсли, существование коэффициента распределения между отношением Mg/Fe кристаллизующегося оливина (ранняя кристаллизационная фаза фактически во всех мафических магмах) и таким же отношением мафического расплава, где эта кристаллизация происходит. Следовательно, по мере приближения к однородности в верхней мантии будет достигаться определенная общая ограниченная сверху величина отношения Mg/Fe в расчетных, мафических расплавах, которые находились в равновесии с усредненной верхней мантией (хотя локальное увеличение степени частичного плавления может привести к образованию в первичной магме магмы со значительно большим отношением Mg/Fe), Было предложено много вариаций отношений Mg/Fe. Часть из них была рассмотрена автором этой книги и Е. Хассеем, которые предложили магнезиальность определять как
а после соответствующего исправления отношения Fe3h/Fe2+, для пород, которые могли подвергнуться посткристаллическому окислению, как
Магнезиальность определена подобным образом, с использованием только оксида железа (II), из-за того, что это более удобно при обсуждении составов фенокрнсталлов оливина, магм и мантии, в той или иной степени связанных с распределением Mg2+/Fc2+. При вычислении значения М, очевидно, не делается допущений, подразумевающих коррекцию отношения оксид железа (II)/оксид. железа (III), содержащихся в необработанных аналитических данных, и, таким образом, эта величина имеет полезное применение для целей сопоставления. Рис. 12 — графическое представление магнезиальности для проанализированных: содержаний MgO и FeO. Величина M может быть получена из того же самого графика путем добавления 0,9 содержания Fe2O3 к содержанию (FeO+MnO). Числа в верхнем и правом краях дают магнезиальность оливинов, сосуществующих в равновесии с расплавами с различной магнезиальностью в соответствии с уравнением, которое приводят Ф. Рондер и Р. Эмсли.
Вариационные диаграммы различных видов могут быть использованы с целью показать контроль, осуществляемый при фракционировании специфическим составом первичных кристаллов на снижение ликвидусной линии. Например, на рис. 13 по оси абсцисс отложено содержание MgO, показывающее эффект удаления или аккумуляции кристаллов оливина или авгита (определенного состава) для выборки анализов лав из вулкана Картала, Большие Коморы, Коморские острова. Точки, соответствующие составам аккумулятивных пород (анкарамитам), лежат ближе к точке на линии, соединяющей составы оливина и авгита, а точкам, отражающим составы магмы, претерпевшей фракционирование, присуща склонность линейно удаляться от той же точки, так как в этих породах оливин и авгит являются в тех или иных пропорциях единственными фазами фракционной кристаллизации. Учитывая обоснованное допущение, о «шуме» данных, который вызывают аналитические ошибки и изменение количества фенокристаллов, колеблющееся от породы к породе, графики на рис. 13 в целом согласуются с простой моделью фракционирования Отметим, что модели этого типа, чтобы соответствовать действительности, должны обязательно проверяться по каждому химическому элементу.
Сущность необходимого вывода заключается в том, что наиболее обоснованным показателем фракционирования служит просто процентное содержание первоначальной магмы, претерпевшей кристаллизацию (см. исследование Л. Уэджера, посвященное составам расплава интрузии Скоргаард). Присутствие преимущественно остаточного элемента Zr, концентрации которого систематически возрастают в расплавленной фазе по мере кристаллизации, также может быть успешно использовано в вариационных диаграммах при описании изменения других компонентов.
Объяснение двух вышеизложенных подходов предпринято Ф. Барбери и др. В этой работе фракция (f) исходной магмы, представленная любым составом остаточного расплава, оценивается путем сравнения с содержанием Ce, выбранного из набора других остаточных элементов: Ce, La, Zr, Hf.
