Формирование глинистых пород: геологическое путешествие от магмы к твердой

Формирование глинистых пород: геологическое путешествие от магмы к твердой

Игнезисные породы представляют собой один из трех основных типов горных пород на Земле, наряду с осадочными и метаморфическими породами. Их формирование является прямым отчетом о внутреннем тепловом двигателе планеты - движении и охлаждении расплавленной породы, называемой магмой, которая происходит глубоко в мантии и коре Земли. Эти породы составляют большую часть земной коры и особенно распространены в океанической коре и вулканических регионах. Понимание того, как образуются магматические породы, обеспечивает критическое понимание процессов тектоники плит, тепловой истории планеты и циклификации элементов между внутренней частью и поверхностью. В этой статье исследуется путь магмы от ее поколения до ее затвердевания в разнообразный спектр магматических пород.

What Are Igneous Rocks?

Породы образуются путем охлаждения и затвердевания расплавленного материала, известного как магма (когда под землей) или лава (когда извергается на поверхности). Они классифицируются в первую очередь по их текстуре (которая отражает историю охлаждения) и их минеральный состав (который отражает химию материнской магмы). Термин «магматический» происходит от латинского слова ignis , означающего огонь, отсылка к высокотемпературному происхождению этих пород.

Эти породы не только являются фундаментальными для строения литосферы Земли, но и содержат множество ценных минеральных ресурсов, в том числе медь, золото, никель и редкоземельные элементы, их изучение, петрология, совмещает полевые наблюдения, геохимию и экспериментальные работы по разгадке условий их образования.

Where Does Magma Come From?

Поколение магмы в недрах Земли

Магма образуется в основном в мантии Земли и нижней коре, где температуры и давления экстремальны.Процесс начинается, когда частичное плавление происходит из-за одного или нескольких из следующих условий:

• Декомпрессионное плавление: Когда мантийная порода поднимается (например, на срединно-океанических хребтах или мантийных шлейфах) и давление снижается без падения температуры, порода пересекает свой солидус и начинает таять. Это наиболее распространенная причина образования магмы, ответственная за огромные объемы базальта, производимого на расходящихся границах плит.
• Таяние потока (добавление летучих веществ): В зонах субдукции вода и другие летучие вещества, высвобождаемые из субдукционной плиты, опускают точку плавления накладывающегося мантийного клина, вызывая образование магмы, даже если температура может быть не очень высокой.
• Таяние при переносе тепла: Горячая магма, поднимающаяся из мантии, может вызвать таяние находящейся в надземном положении коры. Это распространено в горячих точках и континентальных зонах рифта, где базальтовая магма может частично расплавить континентальную кору, чтобы произвести больше богатых кремнеземом магм.

Состав исходной породы и степень частичного плавления определяют исходную композицию магмы. Например, плавление перидотита (доминантной мантийной породы) дает базальтовую магму, в то время как плавление континентальной коры обычно дает более богатые кремнеземом (фелсовые) магмы, такие как риолит.

Восхождение Магмы

После образования магма менее плотна, чем окружающая твердая порода, поэтому она имеет тенденцию плавно подниматься к поверхности. Восхождение может происходить через трещины, трубопроводы или через процесс диапиризма (FLT: 1) (где капля магмы заставляет свой путь вверх). Многие магмы никогда не достигают поверхности; они охлаждаются и кристаллизуются под землей, образуя навязчивые магматические тела, такие как плутоны, батолиты, подоконники и дамбы.

Если магма достигает поверхности, она называется лава, и ее стиль извержения регулируется такими факторами, как содержание газа, вязкость и состав. Вязкие, богатые кремнеземом магмы (риолит) имеют тенденцию извергаться взрывчато, в то время как низкокремниевые базальтовые магмы часто текут как реки расплавленной породы.

Охлаждение и кристаллизация: сердце формирования гнилостных пород

Наиболее важным фактором при определении текстуры магматической породы является скорость охлаждения магмы или лавы. Скорость охлаждения контролируется в первую очередь средой затвердевания.

Медленное охлаждение (интрузивная сантехника)

Когда магма остается глубоко под землей, она изолирована окружающим камнем. Она очень медленно охлаждается в течение тысяч и миллионов лет. Во время этого медленного охлаждения ионы имеют достаточно времени, чтобы мигрировать и располагаться в больших, хорошо сформированных минеральных кристаллах. Это приводит к грубозернистой (фанеритовой) текстуре, легко видимой невооруженным глазом. Общие интрузивные магматические породы включают:

• Гранит: Фелсическая порода, состоящая в основном из кварца, полевого шпата и слюды. Это доминирующая порода континентальной коры.
• Габбро: Мафийская порода, богатая темными минералами, такими как пироксен и плагиоклаза. Она образует нижнюю часть океанической коры.
• Диорит: Промежуточная порода между гранитом и габбром, содержащая плагиоклазу и амфибол.

Быстрое охлаждение (экстравасные среды)

Когда магма извергается на поверхность в виде лавы, она сталкивается с гораздо более прохладными условиями (воздух или вода). Охлаждение происходит быстро, часто в течение нескольких часов или дней. Вместо этого не хватает времени для роста крупных кристаллов; вместо этого развиваются мелкозернистые текстуры, где отдельные кристаллы слишком малы, чтобы их можно было увидеть без микроскопа. Если охлаждение происходит чрезвычайно быстро, например, когда лава закаляется в воде или во время взрывной фрагментации, порода может быть глянцевой (обсидиан) или содержать пузырьки (дыры, оставленные убегающим газом, как в скории или пемзе). Общие экструзивные магматические породы включают:

• Базальт: Тёмная мелкозернистая мафиозная порода, которая образует подавляющее большинство океанической коры и многие вулканические острова (например, Гавайи, Исландия).
• Андезиты: Промежуточная составная порода, типичная для континентальных вулканических дуг, таких как Анды.
• Риолит: Светлая мелкозернистая фельсовая порода, часто связанная со взрывными извержениями вулканов (например, Йеллоустоун).
• Обсидиан: Природное вулканическое стекло, образованное, когда фельсовая лава остывает так быстро, что почти не образуется кристаллов.

Несколько стадий охлаждения (порфиритная текстура)

Некоторые магмы испытывают изменение скорости охлаждения в течение своей истории. Раннее медленное охлаждение на глубине позволяет формировать большие кристаллы (фенокристы). Затем магма внезапно извергается или перемещается в неглубокую среду, где оставшаяся жидкость быстро охлаждается, образуя мелкозернистую грунтовую массу. Это приводит к пористой структуре. Порфиритные породы могут быть либо инвазивными, либо экструзивными, в зависимости от того, где произошло окончательное быстрое охлаждение. Например, порфиритный гранит имеет большие полевые кристаллы, установленные в грубозернистой матрице, тогда как порфиритный базальт имеет большие кристаллы оливина или плагиоклазы в мелкозернистом базальте.

Классификация полинезийных пород: текстура и композиция

Геологи классифицируют магматические породы с использованием двухосевой системы, основанной на текстуре (размер зерна и расположение) и композиции (минерология и содержание кремнезема).

Композиционные группы

• Фелсик: Высокое содержание кремнезема (≥65%), богатое кварцем и полевым шпатом. Светлый цвет. Примеры: гранит (интрузивный), риолит (экструзивный).
• Промежуточный: Умеренный кремнезем (55-65%), содержащий плагиоклазу и амфибол. Средний серый. Примеры: диорит (интрузивный), андезит (экструзивный).
• Мафик: Нижний кремнезем (45—55%), богатый пироксеном и оливином.Темного цвета. Примеры: габбро (интрузивный), базальт (экструзивный).
• Ультрамафич: Очень низкий кремнезем (<45%), преобладают оливин и пироксен. Очень плотный и темный. Пример: перидотит (интрузивный, редко экструзивный).

Текстурная классификация

• Фанеритный (грубозернистый): Кристаллы > 1 мм, легко видимые. Назойливое происхождение.
• Афанитный (тонкозернистый): Кристаллы < 1 мм, не видимые невооруженным глазом. Экструзивное происхождение.
• Порфирит: Смесь больших и малых кристаллов. Указывает на двухступенчатое охлаждение.
• Стекло: Никаких кристаллов; аморфное твердое вещество. Крайне быстрое охлаждение.
• Везикуляр: Отверстия из пузырьков газа. Указывает на быстрое охлаждение богатой газом лавы.
• Пегматитический: Очень крупные кристаллы (>2 см), часто содержащие редкие минералы. Образуются в богатых водой магмах, которые позволяют исключительно расти кристаллам.

Игнезисные текстуры горных пород: более близкий взгляд

Почему текстура имеет значение

Текстура — это не только внешний вид; она записывает полную тепловую историю породы. Например, порфиритическая текстура сообщает геологам, что магма сначала медленно охлаждалась на глубине (позволяя фенокристам расти), а затем перемещалась на более мелкий уровень или извергалась, вызывая быструю кристаллизацию оставшегося расплава. А гломеропорфиритическая текстура предполагает, что ранние кристаллы накапливались путем флотации или конвекции.

Другие важные текстуры

• Орбикуляр: Концентрически слоистые сферы минералов, редкие, но поразительные (например, орбикулярный гранит).
• Межростовые текстуры: Такие как графическая текстура в граните, где кварц и полевой шпат переплетаются, как руны.
• Потоковые полосы: В некоторых вулканических породах, таких как риолит, полосы различной ориентации указывают на вязкий поток.
• Сферулитическое: Радиальные скопления ацикулярных кристаллов, часто в стекловидных породах, которые обезвоживают.

Факторы, влияющие на формирование глинистых пород

Помимо скорости охлаждения, несколько других параметров формируют окончательную породу.

Состав магмы и вязкость

Состав магмы определяет ее вязкость, которая влияет на подвижность и стиль извержения. Фелсовые магмы (высокий кремнезем) чрезвычайно вязкие - они текут как холодный мед и ловушка газа, что приводит к взрывным извержениям (например, гора Сент-Хеленс).Мафисные магмы (низкий кремнезем) менее вязкие - они текут как горячий предвестник и позволяют газу легко ускользать, производя более эффузивные извержения (например, Килауэа).

Нестабильный контент

Вода, углекислый газ, сера и другие газы (волатили), растворенные в магме, существенно влияют на ее поведение. Высокое летучее содержание снижает температуру плавления и может повышать взрывоопасность. Когда магма поднимается и падает давление, летучие вещества растворяются, образуя пузырьки. Если пузырьки не могут убежать, они быстро расширяются по мере приближения магмы к поверхности, фрагментируя ее в пирокласты (аш, лапилли, скория) и приводя в движение взрывные извержения.

Давление и глубина кристаллизации

Давление влияет как на стабильность минеральных фаз, так и на растворимость воды в магме. При высоком давлении (глубоко в коре) гидроусные минералы, такие как амфибол и биотит, могут кристаллизоваться, тогда как при низком давлении (неполноценно), они могут быть нестабильными. Вот почему один и тот же объемный состав магмы может давать различные минеральные сборки в зависимости от глубины. Геологи используют геобарометры (минеральные композиции) для оценки глубины заложения интрузивных тел.

Фракционная кристаллизация

По мере охлаждения магмы, кристаллы первой формы могут быть более плотными или менее плотными, чем оставшаяся жидкость. Они могут оседать или плавать, отделяя оставшийся расплав от ранних кристаллов. Этот процесс, называемый фракционной кристаллизацией , обогащает остаток расплава в несовместимых элементах (те, которые не вписываются в ранние минеральные решетки. В большой магматической камере фракционная кристаллизация может производить последовательность горных пород, начиная от ультрамафичных кумулятов внизу до фельсовых дифференцирований вверху. Это объясняет серию реакций Боуэна , последовательность кристаллизации минералов от мафии до фелсического, когда температура падает.

Ассимиляция и магма-смешивание

Магма может включать фрагменты окружающей породы (стены) по мере ее подъема, процесс, называемый ассимиляцией . Это может изменить состав магмы, особенно в континентальных условиях, где фельсовая кора плавится и смешивается с мафиозной магмой. Кроме того, две различные магмы могут смешиваться в камере, производя промежуточные композиции, которые композиционно однородны или зонированы. Доказательства для смешивания включают магма смешивает текстуры, такие как охлажденные мафиозные анклавы в фельсовой хозяине.

Игнезисные камни и тектоника плит

Полезная активность тесно связана с тектоническими процессами плит, три основных тектонических установки производят характерные сборки магматических пород.

Дивергентные границы (среднеокеанские риджи и континентальные разломы)

В среднем океане расплавление мантии декомпрессии производит холейный базальт, который образует новую океаническую кору.В континентальных разломах (например, Восточно-Африканский разлом) растяжение также вызывает расплавление декомпрессии, но расплав может взаимодействовать с континентальной корой для получения более широкого спектра пород, включая щелочные базальты и риолиты.

Конвергентные границы (зоны субдукции)

Зоны субдукции генерируют наиболее химически разнообразные магматические породы, в первую очередь из-за плавления потока. В перекрывающейся плите находится цепь вулканов (вулканическая дуга), которые обычно производят и и дацит . Конкретный состав зависит от скорости субдукции, природы субдукционной плиты и толщины коры. Континентальные дуги (Анды) производят больше фельсовых пород, в то время как островные дуги (Алеутские) производят больше мафиозных промежуточных композиций.

Горячие пятна (интраплантатный вулканизм)

Горячие пятна - это места, где мантийные плюмы (колонки горячей породы) поднимаются из глубины мантии. Они могут производить большие объемы базальта (например, Гавайские острова) или, когда плюм взаимодействует с континентальной корой, базальты наводнения (например, ловушки Декана). Магмы горячих точек характерно более щелочные, чем базальты среднего океанического хребта.

Экономическое значение игнезианских пород

Породы являются не только геологически увлекательными, но и экономически важными. Они являются основными источниками многих металлов и промышленных минералов.

Магматические депозиты руд

Магматические сульфидные отложения образуются, когда несмешивающаяся сульфидная жидкость отделяется от мафиозной магмы, концентрируя металлы, такие как Ni, Cu и PGE (Noril'sk в России, Bushveld в Южной Африке).Пегматиты (очень крупнозернистые гранитные породы) богаты редкими элементами, такими как литий, бериллий, цезий и тантал, используемые в электронике и технологии батарей.Порфирные медные отложения связаны с промежуточными к фельсовым магмам в конвергентных условиях; они поставляют большую часть мировой меди (например, Чили, США).

Конструкция и декоративный камень

Гранит широко используется в качестве размерного камня для столешниц, памятников и зданий благодаря своей долговечности и эстетической привлекательности.Базальт измельчается для дорожного агрегата и также используется для производства волокна.Скория и пемза используются в качестве легких агрегатов и абразивов.

Геотермальная энергия

Потребляемые в результате воздействия игнеозных пород, особенно мелководных вторжений, являются отличными резервуарами для геотермальной энергии. Высокий тепловой поток в вулканических регионах (таких как Исландия, Филиппины и западные США) используется для производства электроэнергии и отопления домов.

Записи планетарной эволюции

На Земле самыми старыми известными породами являются аккреционные туфы лапилли из Пояса Нуввуагиттук в Канаде (примерно 4,28 миллиарда лет) — напоминание о том, что изучение магматических пород помогает нам понять ранние условия нашей планеты.

Полевые и аналитические методы в изучении полевых пород

Геологи используют различные методы для изучения магматических пород в полевых и лабораторных условиях. Полевые картографические документы трехмерной геометрии вторжений и потоков лавы, в то время как текстурные и структурные наблюдения (например, колоннообразное соединение в базальте или полосы потока в риолите) дают подсказки к условиям формирования.

В лаборатории петрографическая микроскопия (тонкие секции) раскрывает идентификацию минералов и микротекстуры. Рентгеновская флуоресценция (XRF) и индуктивно связанная плазменная масс-спектрометрия (ICP-MS)] обеспечивают массовую химию пород, включая микроэлементы следов и редкоземельных элементов. Электронный микрозонд Анализ дает индивидуальные минеральные композиции. Геохронология с использованием радиометрического датирования (например, U-Pb в цирконе, Ar-Ar в микроскопах) определяет абсолютный возраст магматических пород, критический для понимания генерации магмы и тектонических событий. USGS предоставляет полный обзор идентификации магматических пород

Распространенные заблуждения и разъяснения

• Все магматические породы вулканические.[ФЛТ:1] Ложные — навязчивые магматические породы, такие как гранит, образуются под землей.
• Лава и магма одинаковы. Магма находится под землей, лава находится на поверхности.
• Обсидиан — это камень, а не стекло.[1] В то время как обсидиан — это натуральное стекло, он по-прежнему классифицируется как магматический камень.
• Игнезисные породы всегда твердые и кристаллические. Не всегда — пемза и скория пористые и легкие.

Вывод: постоянно меняющаяся запись внутренних дел Земли

Образование магматических пород является непрерывным, динамическим процессом, который связывает глубокий интерьер Земли с ее поверхностью. От частичного плавления перидотита мантии в середине океанических хребтов до взрывной кристаллизации вязкого риолита в извержении, формирующем кальдеру, каждая магматическая порода рассказывает историю тепла, давления, времени и химии. Изучение этих пород не только углубляет нашу оценку теплового двигателя планеты, но и обеспечивает практическое применение в исследовании ресурсов, смягчении опасности и геотермальной энергии. По мере развития технологий наша способность читать эту геологическую запись становится все более подробной, обещая новое понимание процессов, которые сформировали - и продолжают формировать - наш мир. Для дальнейшего чтения по классификации магматических пород, Geology.com предлагает отличное визуальное руководство . Для изучения взаимосвязи тектоники плит и магматической активности, Энциклопедия ресурсов Британники также рекомендуется.