Як виникає і в що перетворюється магма

Загальні відомості про магматизм ЗЕМЛІ

Магматизм як природне явище зводиться до плавлення твердої речовини, що залягає на глибині десятків і сотень кілометрів від денної поверхні Землі. Виникаючі при цьому розплави, або магми (від грецького magma - густа мазь, тісто), піднімаються вгору в область меншого тиску, досягаючи в межі поверхні суші або морського дна при вулканічних виверженнях. Затверділі розплави утворюють магматичні гірські породи. Геологи розрізняють вулканічні породи, затверділі на денній поверхні або дні водойм, і інтрузивні (впроваджені) породи, які кристалізувалися на тій чи іншій глибині у вигляді тіл різної форми. Надалі ці тіла можуть бути підняті, розмиті і стають доступними для спостереження. Вулканічні породи складають лише близько 10% всієї маси магматичних розплавів, а інтрузивні - 90%.

Вулканічні і інтрузивні породи східного хімічного і мінерального складів відрізняються будовою. Лавові потоки, які утворюються при вулканічних виверженнях, мають невелику товщину (метри - десятки метрів) і тверднуть дуже швидко, протягом декількох годин або діб. При цьому або встигають вирости тільки дуже дрібні кристали, або розплав взагалі не кристалізується, а перетворюється в вулканічне скло - переохолоджену рідина аморфного будови. Великі інтрузивні тіла, що досягають кілометрів в діаметрі і залягають на великій глибині, кристалізуються протягом сотень і тисяч років з освітою крупнозернистих кристалічних структур.

Вулканічні і інтрузивні породи становлять не менше 90% сучасної земної кори, а глибше 10-30 км верхня оболонка Землі цілком складається з магматичного матеріалу, який надійшов з ще більшої глибини.

Судячи за віком магматичних порід, оголених на сучасній поверхні Землі, наша планета була магматичних активної протягом усієї своєї історії. Виверження вулканів, що відбуваються на очах людини, є доказом збереження магматичної активності аж до наших днів. Сьогодні на Землі відомо понад 500 діючих вулканів, а в недалекому геологічному минулому їх було ще більше. Вулканічні виверження, навіть відносно слабкі, представляють вражаюче видовище, і, як зауважив Ю.М.Дубік, довго вивчав вулкани Камчатки, 'вулканології ніколи не прийде в голову назвати людину царем природи'.

Сучасні вулкани розподілені на Землі нерівномірно. Поряд з відносно вузькими зонами підвищеної магматичної активності відомі великі простори, де останні вулканічні виверження відбувалися сотні мільйонів років тому і навряд чи відновляться в майбутньому. Максимальна кількість діючих вулканів зосереджена в так званому вогняному кільці по краях Тихого океану, до якого відносяться, зокрема, Камчатка і Курильські острови. Частина вулканів розташована уздовж великих розколів земної кори всередині континентів (Східна Африка) і в центральних частинах океанів (Гавайські острови).

Статистика показує, що протягом останніх 180 млн років на поверхню Землі щорічно виносилося в середньому 30 км3 вулканічного матеріалу. Близько 75% вулканічних порід накопичувалося на дні океанів, 20% - на островах в зонах переходу від океанів до континентах і тільки 5% на суші. Слід звернути увагу на те, що на дні океанів під тонким шаром глибоководних опадів скрізь залягають вулканічні породи - базальти; сумарна товщина лавових потоків досягає 1-3 км. Якщо врахувати, що океани становлять 71% поверхні Землі, неважко підрахувати, що приблизно 3/4 вулканічних порід доводиться на базальтові плащі, підстилають океани. Йдеться про середніх статистичних оцінках стосовно земній кулі в цілому. Обсяг вулканічних порід, пов'язаних з окремими великими центрами наземних вивержень, також може бути дуже великий. Наприклад, в Йеллоустонськом національному парку в США за останні 2 млн років накопичено близько 5000 км3 виверженого матеріалу.

Інтрузивні тіла, утворені в геологічному минулому і виведені зараз на поверхню, різноманітні за формою і розмірами. Можна бачити як дрібні пластинчасті ін'єкції - магматичні жили, що заповнюють окремі тріщини (їх називають дайками), так і дуже великі тіла, звані плутонами і батолітами. Наприклад, в Південній Африці оголений знаменитий Бушвельдскій плутон, що досягає 400 км в поперечнику при вертикальній протяжності 8 км (обсяг 100000 км3), а в Зімбабве простягається не менш відома Велика Дайк довжиною 530 км при ширині близько 10 км. Ангаро-Витимский батоліт в Забайкаллі займає об'єм 1,5 млн км3, а батоліт, оголений в Береговий Кордильере Перу, - 1,0 млн км3.

Таким чином, магматична діяльність - це надзвичайно потужний природний процес, який відіграє провідну роль в геологічному розвитку Землі, особливо в формуванні її зовнішньої оболонки.

МАГМАТИЗМ РАННЬОЇ ЗЕМЛІ

Звернемося до самого початку геологічної історії. Найбільш древні магматичні породи, відомі на Землі, мають вік 3,8 млрд років. В осадових породах приблизно такого ж віку виявлені уламкові зерна мінералу циркону (ZrSiO4), що містить домішка U, Th, Pb. За співвідношенням радіогенних ізотопів цих елементів встановлено, що зерна циркону є продуктом розмиву магматичних порід з віком 4,1-4,3 млрд років. Якщо врахувати, що вік Сонця оцінюється в 5 млрд років, а вік Землі як планети - в 4,5 млрд років, можна зробити висновок, що магматична діяльність почалася одночасно з виникненням нашої планети. Більш того, математичні моделі формування Землі призводять до висновку, що на завершальній стадії накопичення протопланетного речовини або відразу після завершення цього процесу зовнішня оболонка Землі до глибини в кілька сотень кілометрів була розплавленої і представляла глобальний магматичних океан. Подальше затвердіння цього океану призвело до утворення твердих зовнішніх оболонок Землі, а виділення летючих компонентів, розчинених в океані магми, - до виникнення атмосфери та гідросфери. Якщо це так, то ранній магматизм можна розглядати як головний процес, який визначив сучасний лик Землі, і все, що відбувалося на Землі протягом наступних чотирьох мільярдів років, є лише слабким відлунням виключно потужних ранніх магматичних процесів.

Глибинної будови ЗЕМЛІ

Однією з основ геологічного пізнання є метод актуалізму - порівняння геологічного минулого з тим, що відбувається на Землі зараз. Для того щоб зрозуміти механізм магматичних явищ, звернемося до глибинного будовою сучасної Землі.

Навіть відносно невеликі глибини, вимірювані першими кілометрами, як правило, недоступні для прямого спостереження, і про будову глибоких частин Землі судять головним чином за характером фізичних полів - гравітаційного, магнітного, електричного. Досить ефективними є також сейсмічні методи, які вивчають поширення пружних хвиль в глибинах Землі. Такі хвилі виникають як при землетрусах, так і при штучних вибухах. Спеціальні прилади, встановлені по певній мережі, фіксують час проходження пружних хвиль крізь гірські породи, а також ефекти заломлення і відбиття хвиль на межах шарів з різними фізичними властивостями. Результати вимірювань обробляються за допомогою потужних комп'ютерів і інтерпретуються з урахуванням фізичних властивостей гірських порід. Сучасна сейсмічна томографія виявляє неоднорідності глибинної будови Землі до глибини кількох сотень кілометрів.

Єдиним джерелом прямої інформації про склад гірських порід, що залягають на глибині десятків і сотень кілометрів, служать їх уламки, що виносяться магматическими расплавами при виверженнях вулканів і формуванні інтрузивних тіл.

Геофізичні дані і результати вивчення глибинних включень свідчать про те, що наша планета складається з декількох оболонок з різними фізичними властивостями, зміна яких відображає як зміну хімічного складу речовини з глибиною, так і зміна його агрегатного стану як функції тиску. Cамая верхня оболонка Землі - земна кора - під континентами має середню товщину близько 40 км (25-70 км), а під океанами - всього 5-10 км (без шару води, що становить в середньому 4,5 км). За нижню кромку земної кори приймається поверхню Мохоровичича - сейсмічний розділ, на якому стрибкоподібно збільшується швидкість поширення поздовжніх пружних хвиль з глибиною від 6,5-7,5 до 8-9 км / с, що відповідає збільшенню щільності речовини від 2,8-3 , 0 до 3,3 г / см3.

Від поверхні Мохоровичича до глибини 2900 км простягається мантія Землі; верхня найменш щільна зона товщиною 400 км виділяється як верхня мантія. Інтервал від 2900 до 5150 км зайнятий зовнішнім ядром, а від цього рівня до центру Землі, тобто від 5150 до 6371 км, знаходиться внутрішнє ядро. Як вважають, внутрішнє ядро ​​утворене твердим нікелістого залізом і містить до 15% більш легкого матеріалу, який ототожнюють з сіркою, кремнієм або киснем. Зовнішнє ядро ​​також є металевим (істотно залізним), але на відміну від внутрішнього ядра метал знаходиться тут в рідкому стані і не пропускає поперечні пружні хвилі. Конвективні течії в металевому зовнішньому ядрі є причиною формування магнітного поля Землі.

Мантія Землі складається з силікатів: з'єднань кремнію і кисню з Mg, Fe, Ca. У верхній мантії переважають перідотіти - гірські породи, Відбувся переважно з двох мінералів: олівіну (Fe, Mg) 2SiO4 і піроксену (Ca, Na) (Fe, Mg, Al) (Si, Al) 2O6. Ці породи містять відносно мало (