То, что лавы на дневной поверхности очень редко имеют температуру выше 1200ºС, а возможно и не достигают ее, также может служить показателем глубины их формирования. Как уже отмечалось, температура плавления многокомпонентных систем увеличивается с глубиной. Начальная скорость увеличения этой температуры для базальтов равна примерно 10ºС на 1000 бар. На глубине 500 км давление равно 175000 бар, и базальт при этом давлении должен плавиться при температуре, значительно превышающей 2000ºС. Если бы базальтовый расплав мог формироваться на такой глубине, то он должен был бы подниматься к поверхности при температуре, которая была бы лишь немного ниже, поскольку охлаждение его при подъеме должно было бы быть небольшим. То, что лавы Килауэа изливаются при температуре, которая очень близка к верхнему пределу их плавления при нормальном давлении, говорит о небольшой глубине их формирования.
Данные, о которых говорилось выше, относятся к плавлению сухих пород. С увеличением давления увеличивается растворимость воды в силикатном расплаве, что вызывает понижение точки плавления расплава. Предположим, что первичный материал мантии содержит 0,5% воды в водных минералах. Будет ли эта вода заметно уменьшать температуру, при которой может происходить частичное плавление? Очевидно, нет. Частичное плавление скажем 1/3 первоначальной массы должно обусловить концентрацию воды в расплаве, равную 1,5%. При этом предполагается, что вся имеющаяся вода растворена. Данный вывод подтверждается тем, что базальтовые магмы, когда они достигают поверхности, по-видимому, содержат не более 1% воды, о чем можно судить по отношению газ/лава в вулканических извержениях. Однажды расплавившись, магма поднимется на такую высоту, на которой давление колонны жидкости уравновесится давлением, существующим на той глубине, где формируется магма. Пусть h – глубина формирования магмы ниже дна океана, а H – полная высота колонны жидкости. Тогда, d1h=d2H, где d1 – плотность материала мантии, а d2 – плотность жидкости. На Гавайских островах H-h равно примерно 10 км. Отсюда d1 = 3300 кг/м3, а d2 = 2800 кг/м3, h = 56 км. Действительная глубина, по-видимому, несколько больше, так как не известны вулканы, которые находились бы в статическом равновесии. Следовательно, можно сделать вывод, что наиболее возможная глубина формирования базальтовой магмы колеблется от 50 до 100 км. Температура, которая требуется для образования такой магмы на таких глубинах, находится в пределах 1200–1500ºС.
Базальтовая магма в больших количествах возникала на протяжении всего геологического времени как в континентальных, так и в океанических областях. Теплота, достигавшая поверхности с магмой, хотя и имеет значительную величину, тем не менее, намного меньше, чем нормальный тепловой поток. В настоящее время в среднем изливается примерно 2 км3 лавы в год, а за 4 млрд. лет при такой скорости должен образоваться объем, почти равный объему всей коры, включая океанические площади. Общая теплота, освобождающаяся на поверхности при этом, включая скрытую теплоту кристаллизации и остывания, достигает 1 или 2% от общего теплового потока за тот же самый интервал времени. Поэтому задача заключается не столько в том, чтобы найти подходящий источник тепла, сколько в том, чтобы объяснить, каким образом в кристаллической мантии, где температуры более низки, чем температура начального плавления, может иметь место частичное плавление. Сейсмические данные ясно показывают, что нет единого слоя жидкого базальта, окружающего земной шар, а возможность существования небольших местных резервуаров жидкого материала, оставшихся от времени, когда Земля находилась в расплавленном состоянии, приходится отрицать, учитывая следующие факты: 1) нет данных, показывающих, что Земля когда-либо была полностью расплавленной; 2) жидкий базальтовый расплав, будучи намного легче окружающего кристаллического материала, уже давно должен был бы подняться на поверхность; 3) такие небольшие массы, занимающие объем в несколько сотен кубических километров, за несколько миллиардов лет должны были бы настолько охладиться, что неизбежно раскристаллизовались бы.
Если предположить, что на глубине, где формируется базальтовая магма, существует температура, промежуточная между точками плавления базальта при нулевом давлении и давлении, преобладающем на этой глубине, то при уменьшении давления может начаться плавление. Трудно представить, как на такой глубине может эффективно понижаться давление, поэтому образование магмы в результате падения давления представляется невозможным.
В качестве возможных рассмотрим следующие пути, которые могут привести к местному возрастанию температуры настолько, что становится возможным частичное плавление. Эффект нагрузки, вызываемой мощной серией осадочных пород, играет незначительную роль. Кроме того, базальтовая магма образуется в пределах океанических площадей, где такая нагрузка отсутствует. Энергия деформации в неупругом веществе может превратиться в теплоту. Это подтверждается тем, что, где бы ни происходила в мантии интенсивная деформация, в ней может быть генерировано достаточное количество тепла, способное существенно поднять температуру. Вопрос, касающийся величины этого эффекта, полностью еще не выяснен. Кроме того, крупные излияния базальтовой магмы встречаются в пределах участков (например, Колумбийское плато, Гавайские острова), где деформации отсутствуют. Вулканическая площадь Северной Атлантики, в том числе и активные вулканы Исландии, по-видимому, не связаны с какими-либо крупными процессами деформации. С другой стороны, на ряде площадей (например, в Гималаях), где наблюдается интенсивная деформация, базальтовые излияния редки или отсутствуют.
Частичное плавление может иметь место в том случае, когда материал мантии будет перемещен кверху (например, в результате конвекции) в район, где температурный градиент больше, чем адиабатический, если только начальная температура поднимающегося материала больше, чем точка плавления в том месте, куда поступает материал. Предположим, например, что материал поднимается с глубины, где температура первоначально равна 2000ºС, до уровня, где точка плавления равна 1500ºС. Поднимающийся материал охлаждается при своем продвижении вверх. Если это охлаждение меньше 500ºС, материал будет плавиться, по крайней мере частично. Хотя конвекция и может привести к плавлению, нельзя уверенно считать, что она действительно имеет место, и проблема образования магмы по-прежнему остается нерешенной. Легко представить такое распределение радиоактивного материала, которое должно обусловить постоянное плавление в мировом масштабе. Однако подобное предположение опровергается сейсмическими данными. Это выглядит так, как если бы температура в верхней части мантии была близка к минимальной точке плавления, но подвергалась также местным и до некоторой степени случайным колебаниям неизвестного происхождения, возможно связанным с конвекцией в глубоких частях мантии. Эти колебания, по-видимому, отражаются в значительной изменчивости теплового потока в Тихоокеанском бассейне.
2.3 Происхождение гранитной магмы
В противоположность базальтам, которые встречаются повсеместно, распространение гранитных пород ограничено континентальными площадями и в основном орогеническими зонами. Это может быть обусловлено двумя причинами: 1) наличие континентов таким образом изменяет условия в подстилающей мантии, что там могут образовываться гранитные магмы; 2) гранитные магмы образуются в самой коре. Первый путь представляет собой автокристаллический процесс, в результате которого происходит постоянное разрастание континентов. Второй путь особенно хорошо объясняет постоянное совместное нахождение гранитов с глубоко метаморфизованными осадками и другими породами глубоких частей земной коры.
«Нормальная» температура у основания коры, вероятно, не превышает 600 ºС или около этого. Минимальная точка плавления гранита, даже при максимальном давлении, выше, по крайней мере, на 100 º. Таким образом, образование большого количества гранитной жидкости в коре не может быть «нормальным» явлением. Очень сложно в массе осадков в самой нижней части коры вызвать избирательное выплавление гранитной фракции. Иначе говоря, образование гранитной магмы требует значительных изменений температуры.
При описании условий, ведущих к региональному метаморфизму, с которым тесно связаны граниты, следует отметить, что сам региональный метаморфизм наблюдается только в тех участках, где заметно увеличивается тепловой поток. Это увеличение теплового потока, которое, видимо, сопровождает орогению, фактически может представлять собой наиболее характерную особенность орогении, тогда как деформация является дополнительным эффектом глубинных изменений температуры. Какова природа этих изменений не ясно, как и в случае образования базальтовой магмы. Первопричиной, опять таки, может быть конвекция в мантии. По-видимому, в мантии должны происходить процессы (перенос радиоактивного тепла, конвекционное движение, частичное плавление и дифференциация), которые ведут: 1) к формированию базальтовых магм в самой мантии; 2) увеличению теплового потока, региональному метаморфизму и формированию гранитных магм в коре и 3) диастрофизму.
3. Причины разнообразия магматических пород
Химические и минералогические различия, наблюдающиеся в магматических горных породах, являются результатом магматической эволюции. Совершенно ясно также, что эта эволюция происходит в том или ином направлении, так что в каждой группе пород объединяются различные продукты магматической эволюции единой родоначальной магмы. Очевидно также, что природа материнской магмы каждой провинции, направление ее эволюции или оба эти фактора связаны с географическим и тектоническим положением провинции.