Свойства и состав магмы

Магма представляет собой гетерогенный силикатный расплав. Способность кремниевой кислоты к полимеризации является одной из причин значительной вязкости силикатных расплавов. Основания содействуют деполимеризации магмы. Вязкость повышается в расплавах, обогащенных Al₂O₃, частично Na₂O и понижается с увеличением содержания FeO, MnO, MgO, особенно летучих соединений (H₂O, CO₂, HF, HСl, H₂S, B₂O₃, WO₃). Содержание воды обычно около 5%, а в неизмененных магматических породах редко превышает 1%. При высоком давлении летучие компоненты находятся в растворимом состоянии. Как многокомпонентная система магма хорошо растворяет породообразующие оксиды редких элементов (Li₂O, Rb₂O, BeO, ZrO₂, Ga₂O₃, Nb₂O₅ и др.).

Чем больше компонентов в силикатном расплаве, тем ниже температура его остывания и меньшая вязкость, что ведет к повышению реакционной способности силикатного расплава и скорости диффузии компонентов реакции. Например, гранитный расплав застывает при температуре 1100 – 900ºС, однако при высоком давлении паров воды может находиться в жидком состоянии при температуре 700ºС.

Исследование электропроводности силикатных расплавов показало, что она имеет ионную природу. Примером может служить распределение серы между металлом и шлаком в металлургической плавке.

Усилению электролитической диссоциации силикатов содействует высокая диэлектрическая постоянная расплавленной кремниевой кислоты. Среди элементов магмы встречается ионная и ковалентная связь, образуются комплексные ионы типа AlSiO₄^1–, AlSi₃O₈^1–. В расплавах присутствует O^2– и его концентрацией пользуются как индикатором щелочности расплава.

Магма характеризуется кислыми или основными свойствами. По убыванию основности (щелочности) катионы образуют ряд:

Cs > Rb > K > Na > Li > Ba > Sr > Ca > Mg > Fe²⁺.

Анионы изополикремниевых кислот образуют ряд с повышающейся кислотностью:

SiO₄^4– < Si₂O₆^4– < Si₃O₈^4– < Si₄O₁₀^4–.

Чем крупнее анион при одном и том же заряде, тем легче он отрывается от катиона, тем сильнее у него кислотные свойства. Дальнейшее возрастание кислотных свойств происходит при переходе от силикатов к алюмосиликатам (AlSiO₄^–, AlSi₆O₆^–, AlSi₃O₈^–): Si > B > P > Al.

Снижение основности оксидов повышает кислотность и подвижность силикатного расплава и приводит к расслоению его на две несмешивающиеся жидкости. Летучие компоненты повышают кислотность и подвижность силикатного расплава. В процессе дифференциации происходит отжим жидкой фазы от породы, а при кристаллизации в расплаве увеличивается количество SiO₂, летучих соединений и воды, уменьшается содержание оснований. На ранних стадиях выкристаллизовываются темноцветные минералы (пироксен, амфибол, биотит), позже – светлые полевые шпаты, кварц.

В кислой среде элементы стремятся восстановиться, а в щелочной – окислиться. Ультраосновные и основные магмы более подвижны, так как центры кристаллизации оксидов ближе к шарообразной форме. Кислые магмы вязкие, так как центры кристаллизации в них представлены в виде тетраэдра (Si₂O₇), замкнутых колец (Si₃O₉, Si₆O₁₈), цепи (SiO₃), ленты (Si₄O₁₁), т.е. длинных, с трудом поворачивающихся для полимеризации в расплаве, молекул. Если на место атома кислорода становятся F, Cl, OH, то цепь укорачивается и легче идет образование кристаллической решетки:

Потоки водных растворов в расплавах носят инфильтрационный характер. Для магмы характерно два типа массопереноса: диффузия и конвекция. Основу флюидов (газовых растворов) составляют углерод и водород.

Углеродные структуры встречаются в глубинных разломах и зонах с углеродной спецификацией флюидов. Вследствие эволюции этих систем образуются карбонатиты, кимберлиты, щелочные породы с высоким содержанием карбонатов, углеводородов и графита. С ними связаны месторождения алмазов, Ta, Nb, Zr, Tr.

Для водородных структур характерна H₂O в флюидах и меньшая глубина залегания магм. Образуются породы кислого и основного состава и рудные месторождения. В чистом виде такие структуры не существуют. Для летучих компонентов основных магм характерен CO₂, для кислых – H₂O.

Магматические минералы при кристаллизации удерживают изоморфно много примесей. Поэтому их формулы сложные. Здесь изоморфны многие ионы, что невозможно было бы в гипергенных условиях. На примере магматических минералов установлены главные закономерности изоморфизма.

Массоперенос магмы может происходить путем "эманационной дифференциации" (концентрации), т.е. флотации пузырьков водяного пара, в котором разбавлены другие газы и летучие компоненты, включая рудные (Li, Be, Rb, Cs, Sn, Nb, Ta, и др.).