Pod pojęciem magmatyzmu rozumiemy całokształt zjawisk związanych z powstawaniem, ewolucją składu i przemieszczaniem się magm na powierzchnię Ziemi. Magmatyzm to jeden z najważniejszych głębokich procesów we wnętrzu Ziemi. W zależności od formy manifestacji magmatyzm dzieli się na natrętny i wylewny. Różnica między nimi w dużej mierze determinuje mechanizmy powstawania skał.
Koncepcja magmy
Magma to wysokotemperaturowy płyn krzemianowy, który tworzy się w głębokich komorach, głównie w górnym płaszczu (astenosfera) i częściowo w dolnych warstwach skorupy ziemskiej. Powstawanie komory magmowej następuje po połączeniu pewnych wartości ciśnienia i temperatury. Taka magma pierwotna ma jednorodny skład, w skład którego wchodzą następujące składniki: ciecz (stop), w której rozpuszczona jest faza gazowa lub lotna (płyn). Są też tacystała substancja krystaliczna. Gdy zbliżasz się do powierzchni, pierwotna magma ewoluuje w zależności od konkretnych warunków.
Ewolucja magmy obejmuje kilka rodzajów procesów. Najpierw doświadcza różnych rodzajów różnicowania:
- segregacja, w której rozdziela się na niemieszające się składniki płynne;
- Zróżnicowanie krystalizacyjne. Ten najważniejszy proces jest związany z wytrącaniem (krystalizacją) niektórych związków z amorficznego stopu w różnych kombinacjach temperatury i ciśnienia.
Po drugie, magma zmienia swój skład chemiczny w wyniku interakcji ze skałami macierzystymi. Zjawisko to nazywa się zanieczyszczeniem.
Procesy krystalizacji w magmie
Ponieważ magma jest ruchliwą mieszaniną wielu substancji i znajduje się w zmiennych warunkach, krystalizacja jej składników jest bardzo złożonym procesem. Zwykle dzieli się na trzy główne fazy:
- Wysoka temperatura wczesna faza magmowa. Na tym etapie z magmy wypadają minerały zawierające żelazo i magnez o dużej gęstości. Osadzają się i gromadzą w dolnych obszarach komory magmowej.
- Średniotemperaturowa główna faza magmowa, w której powstają główne składniki skał, takie jak skalenie, kwarc, miki, pirokseny, amfibole. Wytrąca się wapń, zdecydowana większość krzemu i glinu. Krystalizacji już w tej fazie towarzyszy brak miejsca w komorze magmowej, dzięki czemu powstające minerały są drobnoziarniste.
- Niskotemperaturowy późny magm (pegmatyt)faza. Na tym etapie ruchoma, tzw. pegmatytowa pozostałość magmy, wzbogacona w składniki lotne, rozprzestrzenia się przez pozostałe w komorze magmowej szczeliny i szczeliny, przyczyniając się do rekrystalizacji skał macierzystych. Żyły pegmatytowe charakteryzują się tworzeniem dużych kryształów, które mogą wrastać w siebie. Ten etap graniczy i jest ściśle związany z hydrotermalną fazą tworzenia minerałów.
Wulkanizm i plutonizm
Istnieją takie formy manifestacji magmatyzmu, jak natrętne i wylewne. Różnica między nimi polega na warunkach ewolucji magm i miejscu ich krzepnięcia. Ostatni czynnik odgrywa szczególnie ważną rolę.
Magmatyzm wylewny to proces, podczas którego magma dociera do powierzchni Ziemi przez kanał zasilający, unosi się na szczyt, tworząc wulkany i zamarza. Wybuchana magma nazywana jest lawą. Po dotarciu na powierzchnię intensywnie traci swój lotny składnik. Krzepnięcie następuje również szybko, niektóre rodzaje lawy nie mają czasu na krystalizację i zestalenie w stanie amorficznym (szkła wulkaniczne).
Magmatyzm inwazyjny (plutonizm) różni się tym, że magma nie dociera do powierzchni. Wchodząc w taki czy inny sposób w leżące nad nimi horyzonty skał macierzystych, magma zestala się na głębokości, tworząc natrętne (plutoniczne) ciała.
Klasyfikacja włamań
Związki skał macierzystych z produktami magmatyzmu natrętnego i rodzaje ciał natrętnych rozróżnia się według wielu kryteriów, w szczególności takich jak:
- Głębokość formowania. Istnieją intruzje przypowierzchniowe (subwulkaniczne), średnio głębokie (hipabysalne) i głębokie (otchłań).
- Lokalizacja względem skały macierzystej. Zgodnie z tym kryterium osadzone tablice dzielą się na spółgłoskowe (zgodność) i niezgodność (niezgodność).
Ponadto charakter magmatyzmu intruzyjnego i rodzaje intruzji są klasyfikowane według takich cech jak stosunek struktury ciała plutonicznego do powierzchni kontaktu (konformalna i niekonformalna), stosunek do ruchów tektonicznych, kształt, wielkość masywu i tak dalej.
Kryteria identyfikacji różnych typów wtargnięć magmy są ze sobą ściśle powiązane. Na przykład, w zależności od struktury otaczającej warstwy, głębokości i mechanizmu powstawania masywu magmowego oraz innych przejawów magmatyzmu natrętnego, kształty wtargnięć mogą się znacznie różnić.
Mechanizmy wprowadzania magmy do górotworu
Magma może przenikać do warstwy żywiciela na dwa główne sposoby: wzdłuż płaszczyzn stratyfikacji warstwy osadowej lub wzdłuż istniejących pęknięć w skale.
W pierwszym przypadku, pod naciskiem magmy, warstwy dachu unoszą się - leżące obszary grubości - lub odwrotnie, w wyniku wpływu masy wnikającej magmy, warstwy leżące poniżej zwis. W ten sposób powstają wtrącenia spółgłoskowe.
Jeżeli magma wnika w górę, wypełniając i rozszerzając pęknięcia, przebijając się przez warstwy i zawalając skały dachowe, sama tworzy wnękę, która zostanie zajęta przez natrętne ciało. W ten sposób niezgodnie się dziejeciała plutoniczne.
Kształty osadzonych mas magmowych
W zależności od konkretnej ścieżki, po której przebiega proces natrętnego magmatyzmu, formy ciał natrętnych mogą być bardzo zróżnicowane. Najczęstsze niezgodnie występujące masywy magmowe to:
- Dike to przypominające płytę, stromo opadające ciało, które przecina otaczające warstwy. Wały są znacznie dłuższe niż grube, a powierzchnie styku są prawie równoległe. Wały mogą mieć różne rozmiary - od kilkudziesięciu metrów do setek kilometrów długości. Kształt wałów może być również kołowy lub promienisty, w zależności od umiejscowienia pęknięć wypełnionych magmą.
- Żyła to małe sieczne ciało o nieregularnym, rozgałęzionym kształcie.
- Trzpień to korpus w kształcie kolumny, charakteryzujący się pionowymi lub stromo zanurzonymi powierzchniami styku.
- Batholith to największa różnorodność włamań. Batolity mogą mieć setki, a nawet tysiące kilometrów.
Nakładające się ciała również przybierają różne formy. Wśród nich często znajdują się:
- Parapet to wpuszczana intruzja, której powierzchnie styku są równoległe do łóżek gospodarzy.
- Lopolith to tablica soczewkowa, wypukła skierowana w dół.
- Laccolith to korpus o podobnym kształcie, którego wypukła strona znajduje się u góry, jak kapelusz grzyba. Góra Ayu-Dag na Krymie jest przykładem gabroid laccolith.
- Fakolit to ciało znajdujące się w fałdzie koryta skalnego gospodarza.
Strefa kontaktu włamaniowego
Formowaniu ciał plutonicznych towarzyszą złożone procesy interakcji na granicy z otaczającą warstwą. Strefy endokontaktu i egzokontaktu tworzą się wzdłuż powierzchni kontaktu.
Zmiany endokontaktu zachodzą w obszarze inwazyjnym z powodu penetracji skał macierzystych do magmy. W rezultacie magma w pobliżu kontaktu ulega przemianom chemicznym (zanieczyszczeniu), które wpływają na tworzenie się minerałów.
Strefa egzokontaktu występuje w skale macierzystej w wyniku termicznego i chemicznego oddziaływania magmy i charakteryzuje się aktywnymi procesami metamorfizmu i metasomatyzmu. W ten sposób lotne składniki magmy mogą zastępować minerały w strefie egzokontaktowej wprowadzonymi związkami, tworząc tzw. halo metasomatyczne.
Związki mineralne prowadzone przez składniki lotne mogą również krystalizować bezpośrednio w strefie kontaktu. Proces ten odgrywa znaczącą rolę w powstawaniu np. miki, a przy udziale wody kwarcu.
Natrętny magmatyzm i natrętne skały
Skały powstałe w wyniku głębokiej krystalizacji magmy nazywane są natrętnymi lub plutonicznymi. Wylewne (wulkaniczne) skały powstają, gdy magma wybucha na powierzchni Ziemi (lub na dnie oceanu).
Magmatyzm natrętny i wylewny powoduje powstanie serii skał o podobnym składzie mineralnym. Klasyfikacja skał magmowych według składu opiera się na zawartości krzemionki SiO2. Zgodnie z tym kryterium rasypodzielone na ultrazasadowe, zasadowe, średnie i kwaśne. Zawartość krzemionki w serii wzrasta ze skał ultramaficznych (mniej niż 45%) do kwaśnych (ponad 63%). W obrębie każdej klasy skały różnią się zasadowością. Główne skały natrętne zgodnie z tą klasyfikacją tworzą następującą serię (w nawiasie odpowiednik wulkanu):
- Ultrabasic: perydotyty, dunity (pikryty);
- Główne: gabroidy, piroksenity (baz alty);
- Średni: dioryty (andezyty);
- Kwaśne: granodioryty, granity (dacyty, ryolity).
Skały plutoniczne różnią się od skał wylewnych warunkami występowania i strukturą krystaliczną wchodzących w ich skład minerałów: są w pełni krystaliczne (nie zawierają struktur amorficznych), są klarowne i nie mają porów. Im głębsze źródło formacji skalnej (intruzje otchłani), tym wolniej przebiegały procesy chłodzenia i krystalizacji magmy, przy zachowaniu dużej ilości fazy lotnej. Takie głębokie skały charakteryzują się większymi ziarnami krystalicznymi.
Wewnętrzna struktura ciał natrętnych
Struktura masywów plutonicznych powstaje w wyniku kompleksu zjawisk zjednoczonych pod ogólną nazwą prototektonika. Wyróżnia dwa etapy: prototektonikę fazy ciekłej i stałej.
Na etapie fazy ciekłej układane są pierwotne paski i liniowe tekstury powstałego korpusu. Odzwierciedlają kierunek przepływu wtrącającej się magmy oraz dynamiczne warunki orientacji krystalizujących minerałów (np. układ równoległykryształy miki, hornblende itp.). Tekstury są również związane z lokalizacją fragmentów obcej skały, które wpadły do komory magmowej – ksenolitów – oraz izolowanych nagromadzeń mineralnych – schlieren.
Faza stałej ewolucji natrętnej jest związana z chłodzeniem nowo powstałej skały. W masywie pojawiają się pierwotne pęknięcia, których lokalizację i liczbę determinuje środowisko chłodzące oraz struktury powstałe w fazie ciekłej. Ponadto w takiej masie magmowej na skutek fragmentacji jej odcinków i przemieszczeń wzdłuż pęknięć powstają struktury wtórne.
Badania prototektoniki są ważne dla wyjaśnienia warunków lokalizacji złóż mineralnych w obrębie intruzji i otaczających je skał.
Magmatyczne wtargnięcia i tektonika
Skały pochodzenia natrętnego są szeroko rozpowszechnione w różnych obszarach skorupy ziemskiej. Niektóre przejawy natrętnego magmatyzmu wnoszą znaczący wkład zarówno w regionalne, jak i globalne procesy tektoniczne.
Podczas zderzeń kontynentalnych w trakcie zwiększania miąższości skorupy, na skutek aktywnego magmatyzmu granitowego, powstają duże batolit, np. batolit Gangdis w Trans-Himalajach. Również tworzenie się dużych batolitów wiąże się z aktywnymi obrzeżami kontynentów (batolit andyjski). Ogólnie rzecz biorąc, intruzje magmy krzemowej odgrywają ważną rolę w procesach budowy gór.
Gdy skorupa jest rozciągnięta, często tworzą się serie równoległych wałów. Takie serie obserwuje się w grzbietach śródoceanicznych.
Parapety są jedną z charakterystycznych form wewnątrzkontynentalnych wtargnięć magmowych. Mogą też mieć duży zasięg – do setek kilometrów. Często magma, penetrując między warstwami skał osadowych, tworzy kilka warstw progów.
Głęboka aktywność magmowa i minerały
Ze względu na specyfikę krystalizacji w procesach natrętnego magmatyzmu, w ultrazasadowych skałach powstają minerały rudy chromu, żelaza, magnezu, niklu, a także rodzime platynoidy. W tym przypadku metale ciężkie (złoto, ołów, cyna, wolfram, cynk itp.) tworzą rozpuszczalne związki z lotnymi składnikami magmy (na przykład woda) i koncentrują się w górnych obszarach komory magmowej. Dzieje się tak we wczesnej fazie krystalizacji. W późniejszym etapie ruchoma pozostałość pegmatytowa zawierająca pierwiastki ziem rzadkich i rzadkie tworzy osady żył w natrętnych złamaniach.
Khibiny na Półwyspie Kolskim są więc laccolithem, odsłoniętym w wyniku erozji otaczającej warstwy. To ciało składa się z syenitów nefelinowych, które są rudą aluminium. Innym przykładem są intruzje progowe Norylsk bogate w miedź i nikiel.
Strefy kontaktowe mają również duże znaczenie praktyczne. Złoża złota, srebra, cyny i innych cennych metali są związane z metasomatycznymi i metamorficznymi aureolami natrętnych ciał, takich jak lopolit Bushveld w Afryce Południowej, znany z aureoli zawierających złoto.
Tak więc obszary natrętnemagmatyzm jest najważniejszym źródłem wielu cennych minerałów.
