Магматизм та магматичні гірські породи

Гірські породи, що утворилися з магматичних розплавів різного складу і генезису мають назву магматичних.

Магматизм – сукупність ендогенних геологічних процесів, породжених внутрішньою енергією Землі й пов’язаних з утворенням і рухом у земній корі магм.

Магма – природний полум’яно-рідинний силікатний розплав, насичений газами, що утворюються у верхній мантії (астеносфері) або у земній корі. Склад магми залежить від материнських порід, що розплавилися.

Магматизм може бути інтрузивним та ефузивним.

При інтрузивному магматизмі магма досягає земної поверхні, застигає у тріщинах та порожнинах, утворюючи глибинні магматичні тіла, або інтрузії (рис. 2.3). При ефузивному магматизмі магма сягає земної поверхні, виливається і застигає у поверхневих умовах.

Магматизм розвивається на тих ділянках літосфери, де порушується термодинамічна рівновага. Близько 90% об’єму всієї земної кори становлять породи магматичного походження.

Інтрузивний магматизм проявляється у верхній мантії та земній корі й включає народження магми, її міграцію та утворення інтрузивних (глибинних) магматичних тіл. За місцем виникнення магму поділяють на мантійну і корову.

Виникнення мантійної магми пов’язане з розплавленням у астеносфері перидотитових порід і виплавленням із них розплаву, що за складом відповідає базальтам (базальтова магма). Корова магма виникає у земній корі на глибинах 10 – 30 км унаслідок розплавлення магматичних, осадових та метаморфічних порід теплом, яке накопичується при радіоактивному розпаді. За складом корові магми в основному відповідають гранітам (гранітна магма). Величезні підземні резервуари, що заповнені полум’яно-рідинним розплавом – магмою, називають магматичними вогнищами. Вони бувають первинними, вторинними і проміжними. Первинним уважається місце зародження магми, а вторинним – міс-

Рисунок 2.3 – Інтрузії та ефузивні покриви

це, куди магма перемістилася. За результатами геофізичних досліджень первинні вогнища утворюються на глибинах 200 – 60 км, а вторинні – 7 – 5 км. У процесі свого руху магма розпадається на дві фази: розплав та гази. Частка останніх становить 1,5 – 12% загального об’єму магми.

Розплав – багатокомпонентна система, що складається з окислів: SiO₂, Al₂O₃, FeO, Fe₂O₃, MgO, CaO, Na₂O, K₂O. У складі газів переважають пара води та летючі сполуки: CO₂, SO₃, SO₂, H₂S, Cl, F, B. У гранітній магмі переважають окисли кремнію, тому гранітні магми називають кислими, а базальтові магми, багаті на основи Ca, Mg та Fe, основними.

Магма, що має температуру 1500^оС і більше, в процесі міграції, контактуючи з уміщуючими породами, охолоджується. При цьому відбувається розподіл рідинної частини магми на частини (фракції) за хімічним складом – магматична диференціація, внаслідок якої утворюється важкий (збагачений окислами Ca, Mg, Fe)і легкий (насичений окислами Si та A) розплави. Після цього починається другий етап розщеплення первинного розплаву – кристалізаційна диференціація – послідовна кристалізація спочатку тугоплавких, а потім легкоплавких елементів та сполук. Першими звичайно кристалізуються силікати заліза й магнію, а останніми – сполуки калію й натрію. Процесами асиміляції (плавлення гірських порід) та диференціації первинної магми на частини пояснюється різноманіття магматичних гірських порід. За рахунок цього з розплаву важкої тугоплавкої фракції спочатку утворюються ультраосновні магматичні породи, а вже потім – основні, середні, кислі й лужні.

Залежно від глибини залягання інтрузії можуть бути абісальними (глибинними) або гіпабісальними (помірних глибин). Перші – великих розмірів (батоліти, штоки), другі – менші, але різноманітніші за формою (лаколіти, дайки та ін.).

Постмагматичні процеси – це процеси, що розвиваються навколо інтрузиву в період та після охолодження і кристалізації магми. У постмагматичних процесах основну роль відіграють гарячі гази й гідротермальні розчини, з яких кристалізуються мінерали.

Серед них виділяють:

1. Пневматолітовий процес – утворення мінералів з газів при температурі 800 – 450^оС (кварц, слюда, вольфраміт, молібденіт та ін.).

2. Гідротермальний процес – формування мінералів з високотемпературних водних розчинів за температур від 450^оС до 90^оС (кварц, сульфіди ртуті, свинцю, цинку, самородне золото, срібло та ін.).

3. Метасоматоз – процес зміни газами і термальними розчинами хімічно активних уміщуючих карбонатних порід (вапняків, доломітів, крейди тощо) із заміщенням карбонатних сполук силікатами кальцію, магнію, заліза, алюмінію з одночасним відкладенням у цих породах рудних мінералів. Унаслідок цих процесів утворюються і якісно нові породи – скарни.

Постмагматичні явища відіграють велику роль у формуванні багатьох рудних родовищ та родовищ коштовного і виробного каміння. В Україні це родовища ртуті (Донбас), золота (Закарпаття, Донбас, Український щит), поліметалів (Донбас), коштовного каміння (Український щит) і т. ін. У літературі є свідчення про постмагматичний синтез вуглеводневих сполук.

Ефузивний магматизмпов’язаний з виливом магми та водяно-газових флюїдів на земну поверхню. Це явищем носить назву вулканізму. Вулканізм відбувається на ділянках суші або морського дна, під якими формуються магматичні вогнища. Важливою умовою вулканізму є рухи земної кори, що призводять до появи розломів – систем глибинних тріщин, котрі з’єднують магматичне вогнище з поверхнею. Основною причиною виверження вулканів є тиск газів у магмі. На найбільш послаблених, обмежених за площею, ділянках розломів часто утворюються вулкани центрального типу (рис. 2.4). У випадку, коли зони розломів послаблені на великих за довжиною ділянках, у їхніх межах утворюються вулкани тріщинного типу. Поняття «вулкан» означає вивідний отвір, через який з глибинних надр Землі на поверхню викидаються тверді, рідинні та газові виверження. Часто це поняття включає також і підняття, утворене продуктами виверження, – конус.

Рисунок 2.4 – Розріз вулкана центрального типу

У процесі вулканізму на земній поверхні разом з конусами виникають вулканічні куполи, кальдери, лавові потоки, пемзові покрови, гейзери, гарячі джерела й ін. У ході діяльності вулкана в атмосферу виділяється велика кількість вулканічних газів, що слугують основою для формування земної атмосфери та гідросфери.

Розрізняють платформний, геосинклінальний та орогенний вулканізм. Найінтенсивніший вулканізм у нашу епоху проявляється у серединно-океанічних хребтах, в острівних дугах, рифових долинах і молодих гірських спорудах на континентах. Вулканізм – могутній планетарний процес, який відбувається на Місяці, Марсі, Меркурії, Венері та інших планетах і супутниках.

Вулкани на Землі поділяються на діючі, сплячі та згаслі (заховані). На нашій планеті відомо понад 1 340 вулканів, з яких близько 950 діючих. Вулкани поділяються на наземні (80%), що розташовані на континентах, острівних дугах, узбережжях океанів, та підводні (20%), що знаходяться на океанічних хребтах.

За рік вони виносять з надр не менше ніж 5 – 6 км³ вулканічного матеріалу. За характером вивержень вулкани поділяються на лавові, газовибухові та змішані. Продуктами виверження є: гази, тверді продукти, а також розчини різного складу та температури.

Лава – магма, що вилилась на поверхню Землі, на відміну від магми, вміщує мало летючих речовин через їх дегазацію. Лава, як і магма, за хімічним складом може бути кислою, середньою та основною. У процесі виверження утворюються такі вулканічні надбудови, як кальдери – конуси вулканів, що просіли у глибину; сомми – молоді конуси в кратерах старих вулканів та ін. Кратери – величезні заглиблення (провалля) в центрі вулканічних конусів є у більшості вулканів. Діаметр найбільших із них сягає 30 км, а глибина – до тисяч метрів. Кратер безпосередньо сполучається з підвідним каналом, або жерлом вулкану, по якому з глибин надходять продукти виверження. У періоди вивержень жерло заповнюється лавою. Вулкани мають мантійне, корове і змішане живлення. Серед найвідоміших вулканів – Везувій та Етна в Альпах, Ельбрус на Кавказі, Кілеуеа на Гавайських островах, Кіліманджаро в Африці, Кракатау в Індонезії, Лас-Сен-Пік у Південній Америці й ін. В Україні вулкани відомі в Карпатах (вулканічний Вигорлат – Гутинський хребет у Закарпатській області) та в Криму. Найбільший український вулкан – г. Бужора (1081 м) у Карпатах. Усі вони належать до згаслих. Найбільшим вулканом Землі є Йєллоустонський (штат Вайомінг, США), що також належить до згаслих. Але за останні 100 років зафіксовано підняття центра кальдери цього вулкану на 8 м, що свідчить про збільшення внутрішнього тиску і можливе виверження. Щорічно на Землі спостерігається близько 50 вивержень вулканів. Як уже зазначалося, продуктами виверження вулканів є гази, вулканічний попіл, вулканогенно-уламкові (пірокластичні) породи та лава. Гази, що входять до складу магми, з наближенням до земної поверхні відокремлюються від розплаву і, випереджуючи його, вириваються в атмосферу. Частина крапельно-рідинної магми, що захоплена ними, перетворюється в повітрі у попіл, пісок, а іноді й у вулканічні бомби. Висота викиду залежить від сили вибуху. Так, під час катастрофічного виверження вулкану Кракатау хмари газу, попелу та пилу піднялись на висоту 80 км. Гуркіт вибуху було чутно на відстані 4800 км.

Газові хмари не завжди здіймаються вгору. Іноді вони стеляться по землі й завдають великих руйнувань з огляду на їх температуру – до 600 – 800^оС і величезні об’єми – у десятки і сотні млн. м³.

Вулканічний попіл – це дрібні уламки (до 1 мм) мінералів – польового шпату, рогової обманки, піроксенів, лейциту, вулканічного скла. Колір попелу – від світло-сірого і рожевого до бурого і чорного. Попіл може випадати на відстані тисяч кілометрів від вулкану.

Вулканічний пісок представлений уламками 1 – 2 мм, тому розповсюджується він від місця виверження на менші відстані, ніж попіл.

Лапілі – шматки застиглої лави розміром 3 – 30 мм. Складаються в основному з вулканічного скла.

Вулканічні бомби – шматки застиглої лави грушоподібної або веретеноподібної форми (якої вони набувають у польоті). Розміри їх досягають 3 м, а іноді до 15 м і більше. При виверженні великі бомби падають у радіусі 5 – 7 км, а менші – до десятків і сотень кілометрів.

Тверді продукти вивержень (пірокластичний матеріал) утворюють основну масу вивержень.

Поствулканічні явища відбуваються в процесі зменшення активності магматичного вогнища і проявляються у періодичних викидах газів, гарячої водяної пари та інших видів вулканічної діяльності на стадії затухання. Ці явища мають різний характер.

Фумароли – невеликі отвори і тріщинки, по яких підіймаються струмені гарячої водяної пари і газів (Н₂О, НСl, НF, SО₂, СО₂, Н₂S, Н₂ та ін.), що виділяються з магми (первинні фумароли) й ще не захололих лавових потоків та пірокластичних відкладів (вторинні фумароли). Фумароли виникають у кратері, на схилах і біля підніжжя вулканів. Вони поділяються за складом вулканічних газів на струмені сірчаних фумарол – сольфатари, вуглекислих – мофети. Температура сольфатар становить 180 – 100^оС, а мофет – нижче ніж 100^оС.

Гейзери – пароводяні викиди у районі вулкану, що відбуваються з певною періодичністю. Це явище пояснюється тим, що вода, яка заповнює тріщини у гірських породах, на глибині нагрівається до температури вище ніж 100^оС. Тиск залягаючого вище водяного стовпа перешкоджає її кипінню. При подальшому нагріванні перегріті води, досягаючи ділянок меншого тиску, миттєво закипають і викидаються вгору у вигляді пари. Після цього охолоджений залишок води знову заповнює верхні канали тріщин. Через деякий час усе повторюється. Виверження води і пари відбувається з чашоподібних западин – грифонів. Гейзери відомі на Камчатці (Росія), в Ісландії, США, Новій Зеландії. В Україні єдиний гейзер діє поблизу с. Вучкове (Закарпаття).

Окрім справжніх, існують також грязьові вулкани (сальзи) – геологічні утворення, з якими пов’язане постійне або періодичне виверження грязьових мас, горючих газів тощо. За формою вони подібні до невеликих конусоподібних вулканів. Висота найбільших грязьових вулканів досягає 300 – 500 м при діаметрі основи 5 – 6 км. Грязьові вулкани, пов’язані з вулканічною діяльністю, відомі на Камчатці, у Сицилії, на острові Ява. Вони зустрічаються також у нафтогазоносних областях, де виникають при проривах на поверхню гарячих газів і нафтових вод. Виверження грязьових вулканів супроводжується потужними викидами газів (у т.ч. метану та його гомологів), твердих уламків, мулу на висоту до декількох кілометрів. Такі вулкани існують в Азербайджані, Туркменії, на Тамані (Кубань), у Румунії, Італії, Ірані, Бірмі, Венесуелі та ін. На території України вони є на Керченському півострові та на прилеглій акваторії Азовського моря. В останні роки грязьові вулкани виявлено на захід і південь від Севастополя в акваторії Чорного моря. Найбільший з таких вулканів – Центральне озеро (на Керченському півострові) – викидає до 100 м³ метану та понад 5000 л грязі за добу.

Розповсюдження вулканів вирізняється закономірною приуроченістю до глибинних розломів, що розділяють окремі літосферні плити. На земному шарі виділяють три вулканічні пояси: Тихоокеанський, Середземноморсько-Індонезійський та Атлантичний (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Схема проявів вулканізму:

1 – діючі вулкани; 2 – згаслі вулкани; 3 – підводні вулкани; 4 – базальтові плато, підняті на 1000 м над рівнем моря

Тихоокеанський пояс простежується від Камчатки до Антарктиди і включає Курильські, Японські, Філіпинські острови та Нові Гібриди. На східному узбережжі океану вулканічний пояс простягається від Вогняної Землі, через Анди, Кордильєри та Аляску до Алеутських островів. Найбільш відомі вулкани цього поясу: Камай (Аляска), Ісалько, Лассен-Пік (Центральна Америка), Мауна-Лоа та Кілауеа (Гавайські острови), Мон-Пеле (Малі Антильські острови), Байдай-Сан, Фудзіяма, Асама (Японські острови).

На Камчатці відомо 180 вулканів, 23 з яких – діючі. Періодично вивергаються вулкани: Ключевська Сопка, Авачинський, Толбачек, Безіменний, Шевелуч, Курильський. Лава – переважно середнього та основного складу. Вулкани Курильських островів розташовані на продовженні глибинних розломів Камчатки. З 398 вулканів 38 діючих. Серед них Алаїд, Пік Саричева, Ебеко та ін.

Середземноморсько-Індонезійський пояс простягається в суб-широтному напрямку від Альп через Апенніни, Кавказ, гори Малої Азії до островів Малайського архіпелагу. На острові Суматра знаходиться 11, Ява – 19, малих Зондських островах – 15 діючих вулканів. Серед них Кракатау (рис. 2.6), Тамбора, Папандаян. Другим районом розповсюд-ження вулканів є середземноморське узбережжя, де діють 10 наземних і 7 підводних вулканів. Найбільшими з них є Везувій, Етна, Стромболі.

Рисунок 2.6 – Вулкан Кракатау

Атлантичний вулканічний пояс об’єднує 67 вулканів, з яких 40 розташовані на островах, а 27 розміщені під водою. Пояс простирається в меридіальному напрямку паралельно до берегів Африки і Західної Європи й приурочений до серединного Атлантичного хребта на стику двох океанічних плит. Починаючись біля островів Тристан-да-Кунья, він переходить на острови Св. Єлени, Вознесіння, Зеленого мису, Канарські острови, острів Мадейру, Азорські острови та закінчується вулканами Ісландії, де зосереджено 26 діючих вулканів. Найвідоміші з них – Лакі й Гекла.

Незначна частина вулканів розташована за межами вулканічних поясів: вулкани Африки, островів Індійського океану та ін. В Африці відомо 12 діючих вулканів, у т.ч. й один з найвищих вулканів світу – Кіліманджаро з висотою конуса 5895 м над рівнем моря.

Виверження вулканів наносить значних збитків, забирає людські життя. Ознаки сучасної й древньої вулканічної діяльності геологи вивчають за ефузивними породами – базальтами, андезитами, ліпаритами тощо, а також туфогенними породами – туфами, туфобрекчіями та ін.

Класифікація магматичних гірських порід ґрунтується на умовах їх утворення. Породи, що утворилися з магми на великих глибинах, називаються інтрузивними, а в умовах поверхні, – ефузивними.

Ефузивні породи від інтрузивних можна відрізнити за структурою, що формується в різних умовах кристалізації. Повнокристалічні породи, залежно від розмірів зерен, формують такі структури: крупнозернисту з діаметром зерен більше ніж 5 мм, середньозернисту – ніж 2 – 5 мм, дрібнозернисту – менше ніж 2 мм.

Для ефузивних порід характерною є скловата (що нагадує скло), захованокристалічна (зерна мінералів не видно неозброєним оком) та порфірова структури (захованокристалічна маса, на фоні якої виокремлюються зерна мінералів).

Текстура магматичних порід є переважно масивною. Основні породоутворюючі мінерали магматичних порід – калієві польові шпати, плагіоклази, нефелін, кварц, піроксени, амфіболи, слюди, олівін. Залежно від процентного складу в породах, породоутворюючі мінерали поділяються на головні (більше ніж 10%), другорядні (3 – 4%) та акцесорні або рідкісні (менше ніж 3%).

Найпоширеніші форми залягання інтрузивних порід – батоліти, штоки, лаколіти, дайки, жили.

Батоліти – куполоподібні тіла велетенських розмірів (більше ніж 100 км²).

Штоки – мають ту ж саму форму, але їхня площа є меншою за 100 км².

Лаколіти – магматичні тіла грибоподібної форми, що утворюються при проникненні магми у міжпластові тріщини з видавлюванням вгору залягаючих вище шарів порід.

Дайки – лінійно витягнуті вертикальні або крутопадаючі магматичні тіла, що утворилися внаслідок заповнення магмою субвертикальних тріщин у земній корі. Розміри дайок коливаються від міліметрів до декількох кілометрів.

Жили – геологічні тіла, утворені гірськими породами, які заповнюють тріщини. Вони не витримані ні за товщиною, ні за простиранням.

Для ефузивних порід характерними формами залягання є потоки, куполи, покрови.

Потоки – застиглі лавові річки протяжністю до 80 км. Куполи –

захоронені або сучасні конуси вулканів.

Покрови – плащоподібні тіла, що утворюються при заповненні лавою великих за площею територій.

Магматичні породи класифікуються за хімічним складом (в основі чого лежить вміст у породах окислів кремнію SіО₂) на: кислі – (SіО₂ > 65 – 52%), основні – (SіО₂ 52 – 45%) і ультраосновні (SіО₂ < 45%). Породи, що збагачені окислами калію та натрію, називають лужними.

Кислі породи. Широко розповсюджені у земній корі й складаються з польових шпатів (70%), кварцу (25%), слюд та рогової обманки (5%),

Типовими кислими породами є граніти. Колір їх світло-сірий, рожевий та червоний. Вони мають дрібно -, середньо- та крупнозернисту структуру. Жильні граніти із зернами розміром більше ніж 25 мм називають пегматитами. Залягають граніти у вигляді батолітів, штоків, даєк.

Середні породи за мінеральним складом поділяються на дві групи: діорити й сієніти.

Породи групи діоритів складаються з плагіоклазів (~65%) та рогової обманки (~35%). Колір – зеленкувато-сірий. Андезити – ефузивні аналоги діоритів, що мають темно-сіре до чорного забарвлення. Їх важко відрізнити від основних вивержених порід – базальтів. Сиєніти мають багато спільного з гранітами, але відрізняються відсутністю кварцу і підвищеним вмістом рогової обманки (до 20%). До них належать близько 0,6% усіх магматичних порід. Складаються сієніти в основному з плагіоклазів, калієвих польових шпатів, рогової обманки і мають колір, як у гранітів.

Базальти – найбільш розповсюджені серед основних порід. Колір їх – від темно-сірого до чорного. Структура заховано-кристалічна.

Ультраосновні породи трапляються на поверхні досить рідко, утворюючи масиви – невеликі батоліти та штоки. Як олівін, так і піроксен можуть становити до 100% породи. Найчастіше у земній корі наявні інтрузивні ультраосновні породи – дуніти (олівінові) та перидотити (олівіново-піроксенові).

Лужні породи становлять ~1% магматичних порід. Головні їх представники – нефелінові сієніти сірого, рожевого, зеленого кольору, що мають масивну текстуру і залягають у вигляді батолітів та штоків.

Основні породи. Утворюють глибокі частини дна океанів і деякі океанічні острови. У вигляді невеликих інтрузій виходять на поверхню землі. Мінеральний склад: плагіоклази – 55%, піроксени – 45%. Глибинні породи основного складу називають габро, а ті, що вилилися (ефузивні), – базальтами, діабазами.

Габро – темно-сірі або зеленувато-сірі інтрузивні породи з середньо- або крупнозернистою структурою. Габро, що складається переважно з плагіоклаза та лабрадора, є цінним облицювально-виробним матеріалом, який видобувається в Україні (Житомирська і Вінницька області), й має назву лабрадорита.