Лекция 9. Процессы петрогенеза. II. Образование магматических горных пород. А. Вулканизм
Магматические горные породы, образовавшиеся из расплава - магмы, играют огромную роль в строении земной коры. Следует различать: Крупные объемы магматических горных пород, застывшие на разной глубине, не доходя до поверхности, и оказавшие сильное воздействие на вмещающие породы высокой температурой, горячими растворами и газами называются интрузивными (лат. «интрузио» - проникать, внедрять) телами. Тип магматизма, при котором магматические расплавы вырывались на поверхность, происходили извержения вулканов, носившие, в зависимости от состава магмы, спокойный либо катастрофический характер, называют эффузивным (лат. «эффузио» -излияние). - что не совсем точно. Нередко извержения вулканов носят взрывной характер, при котором магма не изливается, а взрывается и на земную поверхность выпадают тонкораздробленные кристаллы и застывшие капельки и осколки стекла – быстро охлажденного расплава. Подобные извержения называются эксплозивными (лат. «эксплозио» - взрывать).
Магма - это расплавленное вещество, которое образуется при определенных значениях давления и температуры и представляет собой флюидно-силикатный расплав, т. е. содержит в своем составе соединения с кремнеземом (Si. О 2) и летучие вещества, присутствующие в виде газа (пузырьков), либо растворенные в расплаве. При затвердевании магматического расплава он теряет летучие компоненты, поэтому горные породы гораздо беднее последними, нежели магма. Силикатные магматические расплавы состоят из кремнекислородных тетраэдров, которые полимеризованы в разной степени. Если степень полимеризации низка, то тетраэдры, как правило, изолированы; если высока, то они сливаются в цепочки, кольца и т. д.
В настоящее время считается, что различные по составу магмы образуются за счет плавления пород мантии и земной коры в результате трех основных механизмов: привноса тепла и нагрева пород, уменьшения давления или привноса летучих компонентов, преимущественно воды. Их состав зависит от состава субстрата плавления и условий, в которых это плавление происходит. Причиной нагрева может быть поступление тепла из более глубоких слоев Земли, накопление радиогенного тепла и др. Генерация магмы за счет прогрева верхней мантии поднимающимися из нижней мантии плюмами характерна для магматизма океанических островов (горячие точки) и крупных магматических провинций. Плавление за счет уменьшения давления может происходить при подъеме отдельных крупных блоков мантии, которые при этом подъеме сохраняют тепло и высокие температуры. Такой механизм плавления реализуется под срединно-океаническими хребтами, с которыми связан интенсивный базальтовый вулканизм.
В магме содержатся: 1) практически все химические элементы таблицы Менделеева, среди которых: Si, А 1, Fе, Са, Мg, К, Ti, Na, 2) а также различные летучие компоненты (окислы углерода, сероводород, фтор, хлор и др. ) и 3) парообразная вода. Температуры большинства магм в земной коре лежат в пределах 600 -1300°С. Летучие компоненты при кристаллизации магмы на глубине частично входят в состав различных минералов (амфиболов, слюд и прочих). Флюид (от лат. fluidis — текучий) — жидкие и газообразные легкоподвижные компоненты магмы или циркулирующие в земных глубинах, насыщенные газами растворы. Предполагается, что в составе флюидов преобладают перегретые пары воды, присутствуют фтор, хлор,
В зависимости от изменения температуры, давления, состава газов и т. д. меняются расплав и образовавшиеся в нем ранее кристаллы минералов одни растворяются, другие возникают вновь, и весь объем магмы непрерывно эволюционирует. Подобный процесс называется магматической дифференциацией.
Жизненный цикл горной породы: расплав (магма), излияние лавы, эрозия, оседание, сжатие и снова расплав
Кристаллизация магмы – превращение в горную породу Кристаллизация магмы происходит не мгновенно, а постепенно, с одновременным падением температуры. Возможны несколько вариантов: В 1 -ом из них охлаждение происходит очень быстро, расплав переохлаждается и превращается в вулканическое стекло – обсидиан (точки 0→ 1→ 6). 2 -ой вариант связан с медленным охлаждением и кристаллизацией расплава. На диаграмме состояния линия, соединяющая точки, где в расплаве появляются первые кристаллы, называется ликвидусом, а линия, соединяющая точки, где полностью исчезает расплав - солидусом. Между этими линиями находится поле сосуществования расплава и кристаллов.
Самый главный фактор, вызывающий понижение температуры кристаллизации, - это флюидное давление. Чем оно выше, температура кристаллизации ниже. Особенно велико влияние воды на структурные и химические свойства силикатных расплавов. Увеличение давления Н 2 О и ее растворение понижает вязкость расплавов и температуру их кристаллизации. Важное значение имеет продукт восстановления воды - водород Н 2 и так называемое водно-водородное отношение Н 2 О/Н 2 , в зависимости от которого варьирует соотношение Fe 2 O 3 / Fe. O, показывающее степень окисления – восстановления расплава.
Интрузивный магматизм Характер контактов в интрузивном массиве гранитов: 1 – собственно интрузивный массив гранитов, 2 – вмещающие породы, 3 – зона экзоконтакта (изменение вмещающих пород), 4 – зона эндоконтакта (изменение гранитов), 5 – провесы кровли
В зависимости от глубины формирования интрузивные массивы подразделяются на: - приповерхностные или субвулканические (последнее слово означает, что магма почти подошла к поверхности, но все таки не вышла на нее, т. е. образовался “почти вулкан” или субвулкан) -от первых сотен метров до 1, 0 -1, 5 км; - среднеглубинные или гипабиссальные , - до 1 - 3, 0 км и глубинные, или абиссальные , - глубже 3, 0 км. Глубинные породы, застывавшие медленно, обладают полнокристаллической структурой, а приповерхностные, в которых падение температуры было быстрым, - порфировой, очень похожей на структуру вулканических пород. По отношению к вмешающим породам интрузивы подразделяются на согласные и несогласные.
Формы интрузивных тел: 1 – дайки, 2 – штоки, 3 – батолит, 4 – гарполит, 5 – многоярусные силлы, 6 – лополит, 7 – лакколит, 8 – магматический диапир, 9 – факолит, 10 – бисмалит
Магматические породы могут отлагаться в самых различных формах. Наиболее распространенным является нэк — цилиндрический интрузив (1), представляющий собой округлый в сечении вертикальный вулканический канал. Шток (2) — массив породы, затвердевший на большой глубине. Батолит (3) — большая масса гранита, дно которого не обнаруживается. Лакколит (4, 7) — массив куполообразной формы, из-за которого породы, залегающие выше, выгибаются. Дайка (5) — вертикальное пластинчатое образование, лежень (6) — торизонтальное пластинчатое образование. Лополит (8) — образование, вогнутое в центральной части наподобие блюдца.
Действие магморазрыва при внедрении дайки: 1 – малая вязкость магмы, 2 – большая вязкость магмы. Давление магмы превышает минимальное сжимающее напряжение всего в 1, 2 раза. Чем вязкость магмы больше, тем дайка толще
Триасовые силлы долеритов на р. Нижняя Тунгусска. Восточная Сибирь Скальные выходы силла долеритов Контакт долеритов с карбонатными осадками
Вулканизм. Если жидкий магматический расплав достигает земной поверхности, происходит его извержение, характер которого определяется составом расплава, его температурой, давлением, концентрацией летучих компонентов и другими параметрами. Одной из самых важных причин извержений магмы является ее дегазация. Именно газы, заключенные в расплаве, служат тем «движителем» , который вызывает извержение. В зависимости от количества газов, их состава и температуры они могут выделяться из магмы относительно спокойно, тогда происходит: -излияние, эффузия лавовых потоков. - газы отделяются быстро, происходит мгновенное вскипание расплава и магма разрывается расширяющимися газовыми пузырьками, вызывающими мощное взрывное извержение - эксплозию. - магма вязкая и температура ее невысока, то расплав медленно выжимается, выдавливается на поверхность, происходит экструзия магмы. Таким образом, способ и скорость отделения летучих определяют три главные формы извержений: эффузивное, эксплозивное и экструзивное.
Вулканические продукты при извержениях бывают жидкими, твердыми и газообразными. Газообразные продукты или летучие играют решающую роль при вулканических извержениях и состав их весьма сложен и изучен далеко не полностью. По данным прямых измерений, в различных действующих вулканах среди летучих содержится: водяной пар, диоксид углерода (СО 2), оксид углерода (СО), азот (N 2 ), диоксид серы (SО 2 ), триоксид серы (SО 3), Газообразная сера (S), водород (Н 2 ), аммиак (NН 3 ), хлористый водород (HCL), фтористый водород (HF), сероводород (Н 2 S), метан ( СН 4), борная кислота (Н 3 ВО 3), хлор (Сl), аргон и другие, но преобладают Н 2 О и СО 2. Присутствуют хлориды щелочных металлов, а также железа и меди. Состав газов и их концентрация очень сильно меняются в пределах одного вулкана от места к месту и во времени. Зависят они и от температуры и в самом общем виде от степени дегазации мантии и от типа земной коры.
По данным японских ученых, зависимость состава вулканических газов от температуры выглядит следующим образом. Температура, °С 1200 -800 800 -100 -60 60 Состав газов (без воды) HCl, CO 2, H 2 O, H 2 S, SO HCl, SO 2, H 2 S, CO 2, N 2, HCl H 2, CO 2, N 2, SO 2, H 2 S CO 2, N 2, H 2 S
Характер цвета лавы отражает ее температуру, на чем, собственно и основано действие пирометра, в котором накал нити, регулируемы электрической батареей, должен достичь цвета лавы, после чего температура вычисляется по специально градуированной шкале. Начало красного свечения ~ 540°С Темно-красное свечение ~ 650° С Светло-красное свечение ~ 870°С Желтоватое свечение ~1100° С Начало белого свечения ~1200° С Белое свечение ~1480° С
Жидкие вулканические продукты представлены магмой. Магма, поднимаясь вверх по каналу и, достигнув поверхности Земли, изливается в виде лавы (лаваре - мыть, стирать, лат. ), отличающейся от магмы тем, что она уже потеряла значительное количество газов. Главные свойства лавы - химический состав, температура, содержание летучих, вязкость - определяют характер эффузивных извержений, форму, структуру поверхности и протяженность лавовых потоков. Если вязкость у лав низкая, то они могут растекаться, покрывая большие пространства и далеко уходя от центра излияния. Высокая вязкость, наоборот, вынуждает лавы нагромождаться недалеко от места извержения, течь гораздо медленнее, чем маловязкие лавы. Химический состав лав изменяется от кислых, содержащих больше 63% Si. O 2 и до ультраосновной, Si. O 2 меньше 45%. Все остальные лавы имеют промежуточное содержание оксида кремния.
Строение лавового потока: А – поток во время движения, Б – после остывания; 1 – «аа» -лава, глыбовая корка, 2 -расплав внутренней части потока, 3 -лавобрекчия в подошве потока, 5 -столбчатая отдельность.
Типы вулканических построек В общем виде вулканы подразделяются на линейные и центральные, однако это деление в известной мере условно, так как большинство вулканов так или иначе приурочены к линейным тектоническим нарушениям в земной коре. Вулканы трещинного (А) и щитового центрального (Б) типов
Сложные полигенные вулканические постройки состоят из конусов, образованных потоками и толщами лавы и пирокластических продуктов, называются стратовулканами (стратум – слой, лат. )
Вулканические постройки Ключевская группа вулканов на Камчатке (В. А. Подтабачный). Хорошо видны побочные шлаковые конусы – результат эксплозивных извержений
В результате мощных эксплозий, вершинная часть стратовулкана может быть уничтожена и тогда образуется обширная и глубокая округлая котловина – кальдера (кальдера – котел – исп. ), диаметром от нескольких сотен метров до нескольких км. Это, т. н. кальдеры взрыва. Формирование кальдеры : 1 – вулкан до извержения 2 – извержение и образование пласта пемзы до 50 -100 м мощностью (заштрихован), 3 – проседание части вулкана и образование кальдеры диаметром 16 -18 км и глубиной в 0, 5 км, 4 – формирование нового вулкана в центре кальдеры
Типы вулканических извержений Вулканические извержения разнообразны. В одних случаях жидкая магма спокойно переливается через край кратера, в других - с огромной силой вырывается из жерла, в третьих - распыляется газами с образованием туфов и пеплов. Тип извержений зависит от состава и газонасыщенности магмы. Чем больше в ней оксида кремнезема, тем магма более вязкая, густая и содержит большее количество газов. Именно такая магма и будет взрываться сильнее всего. В зависимости от характера извержений выделяют различные их типы чаще по названиям вулканов, в которых какая-либо из черт его активности выражена ярче всего.
Гавайский тип извержения - это относительно слабые выбросы очень жидкой базальтовой лавы, образующей невысокие фонтаны, большие пузыри и тонкие, обширные покровы лавовых потоков, наслаивающихся один на другой, образуя крупные, но плоские щитовые вулканы. Стромболианский тип извержения назван по характеру деятельности вулкана Стромболи, расположенного в юго-восточном углу Тирренского моря у побережья Италии. Извержения обладают ритмичностью и в воздух периодически выбрасываются вулканические бомбы и туфы. Высота выбросов редко превышает 100 -300 м потому, что газы отделяются от сравнительно жидкой магмы у края жерла. Извержения Вулканского типа характерны для вязкой магмы, насыщенной газами, что определяет умеренные или мощные взрывы, выбрасывающие высоко вверх обломки лав, иногда еще раскаленных, но быстро остывающих и образующих туфовые, пепловые и глыбовые вулканические конусы. Пелейский тип извержений, названный так по вулкану Мон-Пеле на о. Мартиника в Карибском море, сопровождается не только мощными взрывами, наподобие вулканских, но и образованием раскаленных газово-пепловых лавин, с огромной скоростью скатывающихся со склона вулкана. Плинианские извержения названы в честь древнеримского естествоиспытателя Плиния Старшего, погибшего во время извержения Везувия в 79 г. н. э. , погубившего Помпеи, Геркуланум и другие города в окрестностях Неаполитанского залива. Плинианские извержения представляют собой, по существу, очень мощный вулканский тип. Внезапные взрывы и следующий за ними длительный пепло- или пемзопад связан с тем, что к кратеру вулкана поднимается вязкая, насыщенная газами магма. Газовые пузырьки расширяясь, разрывают магму, вспенивая ее, образуя кусочки пемзы и стекловатый пепел, разносящийся ветром на большие расстояния. Выброшенные вверх газово-пепловые облака «растекаются» на высоте нескольких км в разные стороны, напоминая крону средиземноморской сосныпинии. Газовые извержения относятся к особому типу, когда магма практически отсутствует и в обломках, выбрасываемых при взрывах, присутствуют лишь горные породы того фундамента через которое проходит взрывное жерло. Если магма подходит близко к поверхности Земли, в отдельных местах она может соприкасаться с водой, которая, превращаясь в пар, вырывается со взрывом наверх.
Поствулканические явления После извержений, когда активность вулкана либо прекращается навсегда, либо он только "дремлет" в течение тысяч лет, на самом вулкане и в его окрестностях сохраняются процессы, связанные с остыванием магматического очага и называемые поствулканическими. Выходы вулканических газов на поверхность называются фумаролами (от лат. "фумо" - дым). Фумаролы подразделяются на сухие высокотемпературные, кислые, щелочнонашатырные, сернистые, или сероводородные (сольфатары, итал. "сульфур" сера), углекислые (мофеты, от итал. "мофетта" - место зловонных испарений). Горячие источники, или термы, широко распространены в областях современного и новейшего (плиоцен-четвертичного) вулканизма. Однако не все термы связаны с вулканами, так как с глубиной температура увеличивается и в районах с повышенным геотермическим градиентом циркулирующая атмосферная вода нагревается до высоких температур. Гейзеры - это горячие источники, вода которых периодически фонтанирует и выбрасывается вверх на десятки метров.
Геотермальная энергия - это важная сторона использования вулканического тепла. Электростанции, работающие на естественном перегретом паре, действуют в Италии (Лардерелло в Тоскане), Исландии (около Рейкьявика), Калифорнии, на Северном острове Новой Зеландии, в районе Паужетки на Южной Камчатке и в ряде других мест. Сочетание благоприятных для выработки электроэнергии условий высокое давление пара, температура выше точки кипения воды, большой ее приток - встречается не так уж часто. Проблемы возникают и из-за очень быстрой коррозии металлических труб агрессивными горячими водами, которые к тому же откладывают на стенках труб карбонат кальция и кремнезем, закупоривая их. Горячие воды используются для обогрева жилищ, парников и теплиц.
Скачать презентацию Лекция 9 Процессы петрогенеза II Образование магматических горных
Лекция 9_Магматические горные породы.ppt