» » Химический состав (петрохимия) магматических пород

Химический состав (петрохимия) магматических пород

30.07.2016

Изучением химического состава магматических пород занимается раздел петрологии, называемый петрохимией. В основном определение химического состава горных пород осуществляется путем количественного химического (силикатного) анализа. Методы, основанные на применении масс-спектроскопа, микроанализатора и некоторых других приборов, в настоящее время являются вспомогательными.
В составе магматических пород только восемь элементов периодической системы Д.И. Менделеева играют в количественном отношении ведущую роль. Это О, Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na и К.Г. Вашингтон назвал их петрогепными элементами, в отличие от металлогенных, слагающих главную часть руды. В подчиненном количестве (десятые и сотые доли процента) встречаются Ti, P, С, Cl, S, Ba, Sr, Mn, Zr, Ni, Co, V. Все остальные элементы вместе взятые составляют около 0,5%.
Химический состав горных пород выражают окислами соответствующих химических элементов; для магматических пород главными окислами будут SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, CaO, Na3O и K2O; их сумма равняется в среднем 96,88 вес. % валового состава этих пород (табл. 2).
Химический состав (петрохимия) магматических пород

Кроме упомянутых петрогенных тугоплавких химических элементов, магма содержит (в растворенном виде) летучие компоненты, иногда в существенном количестве. При остывании магмы последние обычно отделяются от нее, что особенно наглядно при наблюдении процессов современного вулканизма, а также при изучении состава минералов пегматитовых даек, некоторых метасоматитов и др. Эти компоненты играют заметную роль при процессах эндогенного породообразования, поэтому их называют также минерализаторами.
Еще в прошлом веке Г. Абихом в основу классификации магматических пород было положено содержание SiO2. В настоящее время по весовому процентному содержанию SiO2 выделяют: кремнекислотные магматические породы, в которых SiO2 ≥ 65%, среднекремнекислотные — SiO2 65—52%, основные— SiO2 52—45% (=42%) и ультраосновные — SiO3 ≤ 45%.
По молекулярному содержанию AUO3, CaO, Na2О и K2O магматические породы делятся на три группы: нормальные или известково-щелочные (CaO + Na2O + K2O) ≥ Al2O3 ≥ (Na2O + K2O), пересыщенные щелочами, или агпаитовые, (Na2O + K2O) ≥ Al2O3 и пересыщенные алюминием, или плюмазитовые, Al2O3 ≥ (CaO + Na2O + K2O).
А.А. Маракушевым разработана систематика магматических пород по данным сводок региональных петрографических работ. По кремнекислотности и общей щелочности магматические породы подразделяются им на четыре ряда или группы (рис. 14): 1) щелочноземельные породы — перидотиты, пироксениты, пикриты, габбро и базальты, габбро-диориты и андезит-базальты, диориты и андезиты, гранодиориты и дациты, граниты и липариты; 2) щелочные кварцсодержащие породы — кварцевые сиениты и трахиты, щелочные граниты, комендиты, пантеллериты; 3) щелочные породы без кварца и фельдшпатоидов — кимберлиты и меймечиты, якупирангиты, щелочные пикриты, щелочные базальты и габбро, габбро-сиениты и трахиандезито-базальты, сиениты, трахиты, щелочные сиениты и трахиты (с эгирином, рибекитом) и т. д.; 4) фельдшпатоидные щелочные породы — нефелиновые якупирангиты, базаниты, нефелиниты, тералиты и тефриты, лейцитофиры, нефелиновые сиениты и фенолиты.
Химический состав (петрохимия) магматических пород

Из границ, разделяющих выделенные группы на диаграмме, наиболее принципиальное значение придается границе, проходящей между породами щелочноземельного, или нормального, и щелочного рядов. Щелочноземельная серия пород характерна для геосинклинального вулканизма, особенно для геосинклиналей фемического профиля; магматические породы основного и средне-кремнекислоткого (андезитового) состава образуются в стадии собственно геосинклинального развития подвижных зон, а кремнекислотные породы, особенно гранитоиды, в стадии складчатости. Кроме того, гранитоиды образуются в областях тектоно-магматической активизации. Горные породы щелочной серии обычно формируются в стабильных областях земной коры, в отдельных случаях — в новообразованных интрагеоантиклинальных структурах на ранних стадиях замыкающейся геосинклинали, как это, в частности, имеет место в байосской эвгеосинклинали южного склона Большого Кавказа (Гагра-Джавская тектоническая зона). Здесь, в верхней юре, верхнем мелу и нижнем неогене в различные местах проявлен щелочной базальтоидный магматизм. А при окончательном формировании горноскладчатого сооружения Большого Кавказа констатируется щелочноземельный финальный вулканизм.
Граница раздела между щелочноземельным и щелочным рядами магматических пород определяется взаимоотношением дунитов и меймечитов, пикритов и щелочных пикритов, базальтов и щелочных базальтов, андезит-базальтов и трахиандезит-базальтов, диоритов (андезитов) и сиенитов (трахитов), граподиоритов (дацитов) и кварцевых сиенитов (кварцевых трахитов), гранитов (липаритов) и щелочных гранитов (пантеллеритов).
Подробные сведения о петрохимических особенностях магматических пород можно найти в учебнике петрографии.
Для понимания генезиса магматических пород необходимо знать не только их химический состав, но и его вариации во времени и пространстве.
Петрохимические расчеты химических анализов горных пород производятся с целью придания результатам химических анализов удобного для сопоставления вида. На основании петрохимических расчетов различных групп и типов горных пород были предложены химические классификации магматических пород. Петрохимические расчеты при наличии данных о времени и геологических условиях образования магматических пород позволяют выяснить эволюцию исходной магмы.
Известно несколько различных методов расчета химических анализов магматических пород: Ф.Ю. Левинсона-Лессинга, Т. Барта, четырех американских петрологов — В. Кросса, И.П. Иддингса, Л.В. Пирсона, Г.С. Вашингтона (метод CJPW), А.Н. Заварицкого, А.А. Маракушева и др. Некоторые из них, сыгравшие существенную роль в петрологии, имеют теперь историческое значение. В последнее время был разработан также метод математической статистики.
В конце прошлого столетия русским ученым Ф.Ю. Левинсоном-Лессингом был предложен метод петрохимического расчета, основанный на арифметическом объединении в группы металлов по их валентности, т. е. совокупном рассмотрении компонентного состава горных пород. Этот метод, несомненно, был передовым и долгое время широко использовался отечественными петрографами. Главными недостатками этого способа петрохимических расчетов являются формальность и искусственность объединения компонентов в формулы, называемые магматическими. Кроме того, кристаллохимические исследования показали несостоятельность воззрений о замещении молекул и одинаковой валентности замещающих друг друга атомов. Далее, при объединении окислов алюминия и железа в группу R2O3 стушевывается различное петро-химическое значение алюминия и железа. То же следует сказать о группе RO, в которой объединяются CaO и MgO, имеющие различное петрохимическое значение. He оправдано также суммирование окислов типа RO с окислами типа R2O в одну группу RO и т. д.
Ho методу Т. Барта можно произвести количественный учет перемещения вещества при метаморфизме и метасоматизме, если известен характер исходной горной породы.
К недостаткам этого метода следует отнести: 1) необходимость допущения постоянства объема горных пород, подвергшихся преобразованию, что обычно имеет место лишь при изохимическом метаморфизме; 2) трудности при расчете аллохимически метамор-физованных пород и метасоматитов; 3) невозможность учесть миграцию ионов серы, что необходимо при исследовании процессов сульфидного рудообразования. Правда, последний недостаток легко исправим при выполнении рекомендаций С.Д. Четверикова.
Новым в методе CJPW, предложенном в 1900 г., было проведение расчета на «стандартные (нормативные) минералы» хотя, конечно, их состав далеко не всегда соответствует реальному (модальному) минеральному составу. Вполне обосновано в методе противопоставление расчетов светлых и темных компонентов породы. Классификация горных пород, построенная по расчету химических анализов этим методом, была большим шагом вперед, однако она совсем не учитывала генетическую принадлежность пород. Формальные признаки подразделений приводили к разъединению родственных горных пород и, наоборот, объединению генетически отличных горных пород.
Одним из современных, широко применяемых петрологами России методов является метод петрохимических расчетов А.Н. Заварицкого, предложенный им в 1935 г. Самым значительным достоинством этого метода является весьма удачно разработанный способ одновременного рассмотрения всех главных взаимосвязанных особенностей компонентов и проектирование параметров па развернутом прямоугольном тетраэдре, из которого наглядно видны взаимоотношения всех основных величин, что позволяет делать широкие петрологические обобщения. Достоинствами этого метода являются также: правильность выбора системы группировки атомных количеств элементов в химическом составе горной породы, учет достижений кристаллохимии силикатов, позволяющий получить параметры состава горных пород, наиболее соответствующие реальным соотношениям элементов, и др.
Из недостатков метода следует отметить: включение в главные параметры горной породы общего количества атомов кремния, значительно превышающего количество каждого из остальных компонентов, что создает трудности при графическом изображении состава горной породы; некоторая неточность и переоценка при расчете величины а; завышение дополнительной характеристики
в которую входят не только атомы двухвалентного, но и все атомы трехвалентного железа; отсутствие учета некоторых деталей состава породообразующих минералов при расчете количества кремния, связываемого в силикаты, что приводит к некоторой неточности при вычислении величины а и т. д.
Подробное описание этих четырех методов приводится в книге С.Д. Четверикова.
Метод термодинамического расчета показателей основности горных пород и минералов, предложенный А.А. Маракушевым, имеет своей целью оценить сравнительную кислотность — основность минералов и горных пород, что позволит делать широкие петрологические обобщения.
Новейшим научным методом является метод математической статистики. В настоящее время этот метод все более широко используется науками о Земле.
В связи с этим возникла необходимость в унификации форм сбора, координирования и хранения различных геологических материалов. Стал актуальным вопрос разработки алгоритмов и создания информационно-поисковых систем по различным профилям (дисциплинам) геологических наук.
В настоящее время статистический метод используется для выяснения особенностей изменения химического состава горных пород, закономерностей образования рудных концентраций, взаимосвязи между литогенезом и тектогенезом, для подсчета запасов полезных ископаемых, построения палеогеографических карт, установления направления изменений химического состава пласта и его пористости, оценки зональности рудных месторождений, количественного прогнозирования рудоносных горных пород, поисков месторождений полезных ископаемых и эффективного направления поисковых работ.
Для ознакомления с методом математической статистики можно рекомендовать работы Д.А. Родионова, И.П. Шарапова, Р. Милера и Дж. Кана.