مباحث علم ژئو شیمی

ماگما چيست؟

ماگما را به صورتهاي مختلف تعريف كرده اند:

1)  ماگما موارد توليه سنگهاي آذرين است.

گدازه (Lava): ماگمايي است كه از طريق مجاري آتشفشاني بيرون ريخته و از اين طريق در معرض مشاهده ما قرار مي گيرند.

2)  ماگما را بصورت مواد سنگي مذاب هم تعريف كرده اند.

اشكال تعاريف فوق :

در نظر نگرفتن اجزاي فراري كه نقش مهمي در تبلور ماگما بازي مي كنند.

مثال: انجماد ماگما مانند انجماد يك سرب مذاب كه در يك درجه حرارت معين صورت مي گيرد نيست. بلكه معمولاً در زمان و مكانهاي مختلف و از طريق تبلور تفريقي انجام مي شود كه محصول نهايي آن سنگ آذريني است كه در زير سطح زمين تشكيل شده و يك فاز گازي و احتمالاً يك محلول آبكي را نيز شامل مي شود.

ماگما شامل :

الف) بخش خميري   تبلور تفريقي

ب) بخش آبكي يا آبگين  : 1) مرحله پگماتيتي    2) مرحله پنوماتوليتي      3) هيدروترمال

ماگما از روي ويژگيهاي زير تعريف مي شود:

الف) يك تركيب عمدتاً سيليكاتي است.

ب) دما كه معمولاً داغ است (500^0c تا 1200^0c)

ج) تحرك: بدين معني كه ماگما قابليت جريان يافتن دارد.

منظور از ماگما در اين بحث : منظور تمام مواد سنگي طبيعي متحرك است كه بخش عمده اي از آن را فاز مايع با تركيب مذاب سيليكاتي تشكيل مي دهد.

آيا ماگماي اوليه (Primery Magma) وجود دارد؟

در اين زمينه نظرات متفاوت و جدالهاي فراواني صورت گرفته است.

1- بنزن (Bunsen)    الف) ماگماي اوليه گرانيتي   ب) ماگماي اوليه بازالتي    فراواني انواع سنگها نظريه بنزن را تاييد مي كرد.

2- ديلي (Daly)    الف) گرانيتها و گرانوديوريتها روي هم حداقل 95 % كل ماگماي نفوذيند.        ب) بازالتها و آندزيتها پيروكسن روي هم حداقل 98 % سنگهاي آذرين بيروني ماگماي خروجي را در بر مي گيرند.

دلايل تاييد ماگماي اوليه:

الف) در طول زمان زمين شناسي ماگمايي با تركيب بازالتي بصورت سيل هاي عظيم پوسته را شكسته و بر روي سطح آن جاري شده اند.

ب) سنگهاي حوضه هاي بزرگ اقيانوسي تقريباً تماماً بازالتي هستند.

ج) كارهاي تجربي نشان داده است كه تفريق ماگماي بازالتي مي تواند منجر به تشكيل سنگهايي با تركيب شيميايي و مينرالوژي كاملاً متفاوت شود.

تركيب شيميايي ماگما و سنگهاي آذرين:

طبق كارهاي كلارك و واشنگتن

SiO₂ = 59.14      Al₂O₃ = 15.34        Fe₂O₃ = 3.08   FeO = 3.80          MgO = 3.49   

 CaO = 5.08    Na₂O = 3.84     K₂O = 3.13       H₂O = 1.15      TiO₂ = 1.05

در اين تجزيه اجزاي سازنده جزئي حذف و مواد فرار نيز ناديده گرفته شده اند. عناصر اصلي تشكيل دهنده ماگما عبارتند از :

K , Na , Ca , Mg , Fe , Al , Si , O

لذا ماگماهاي سيستم هاي چند همنه (Molti Component Systems) از اين عناصر هستند.

رابطه بين رايج ترين اكسيدهاي سنگ ساز :

همنه هاي مختلف بطور تصادفي تغيير نمي كنند بلكه به يكديگر مربوط مي باشند اين همنه را اكسيد هاي سنگ ساز گويند.

1-              اكسيد SiO₂ اكسيد غالب سيليس است.      

Al₂O₃          10 to 20 %

مقادير كم Al₂O₃  مشخصه سنگهايي است كه فلدسپاتوئيد آنها ناچيز است. مقادير بالاي Al₂O₃ نيز مشخصه آنورتوزيت ها (anorthosites) و سنگهايي است كه داراي مقدار زيادي نفلين مي باشد.

Na₂O   2 to 5 %

K₂O         در بيشتر سنگها كمتر از درصد است.

 به ندرت به 15 % مي رسدS در منحني شيشه هم و نسبت به Si كاسته مي شود      FeO , Fe₂O₃

MgO   در سنگهاي اولترابازيك 20 % مقدار آن اندك است.

CaO      حداكثر آن 8 % و كمتر از 5%

H₂O   كم

H₂O   كم

TiO₂ , P₂O₅ , MnO اكسيدهاي مهمي هستند كه بايد با دقت مطالعه شوند.

تركيب مينرالوژي سنگهاي آذرين:

گرچه بيش از 1000 كاني مختلف شناخته شده اند تعداد درصد گونه ها در بيش از 99 % سنگهاي آذرين بسيار كم است. جدا از هفت كاني يا گروه كانيهاي اصلي (كانيهاي سيليسي، فلدسپات، فلدسپاتوئيد، اليوين، پيروكسنها، آمفيبول و ميكا) فقط مقدار كمي مگنتيت، ايلمينيت و آپاتيت و اسفن بطور معمول يافت مي شود. بقيه كانيها بسيار ناچيزند. مطالعه آماري 700 نمونه ميانگين كاني شناسي زير را نشان مي دهد.

جدول : ميانگين كانيهاي سنگ آذرين

مقايسه اين تركيب مينرالوژي ميانگين يا مد (Mode) يا نورم  (Norm) محاسبه شده از تركيب ميانگين سنگهاي آذرين جالب توجه است.

Il = 1.98 , mt = 4.41  . hy = 8.64  di = 6.45  an = 15.29  Oli = 32.49  or = 18.35  q = 10.02  ap = 0.67

تركيب مينرالوژي يكي از معيارهاي اصلي در طبقه بندي سنگهاي آذرين است. تاكنون چند درصد نوع سنگ نام گذاري شده اند اما از اين ميان تعداد كمي بطور رايج رخ مي دهند.

جدول 2-5 :ميانگين ترکيب شيميايي (بصورت درصد وزني)برخي از سنگهاي آذرين دروني

جدول 3-5 : ميانگين ترکيب شيميايي برخي از سنگهاي آذرين فوق مافيک (بصورت درصد وزني)

اختلاف در تركيب شيميايي كلي سنگها حاكي از اختلاف موجود در نسبت هاي كاني انواع سنگ است و بالعكس. براي مثال ميانگين تجزيه شيميايي برخي از سنگهاي آذرين دروني در جدول زير آورده شده است. پلوتون هاي فلسيك در مقايسه با نفوذي هاي مافيك داراي مقدار بيشتر Na₂O , K₂O , SiO₂  و مقدار كمتري MgO , FeO , CaO هستند كه اين خود بازتاب فراواني كوارتز آزاد و فلدسپارهاي قليايي و كمبود كانيهاي فرومنيزيم است. تجزيه شيميايي گدازه ها نيز يك چنين گستره اي از تركيبات شيميايي را نشان مي دهد.

در هر حال برخي از سنگهاي پلوتونيك درشت دانه از نظر تركيب شيميايي معادلي در ميان سنگهاي بيروني ندارند. مثالهاي تيپيك شامل سنگهاي دونيت، پريدوتيت، پيروكسنيت و آنورتوزيت مي شود كه بترتيب از اليوين،  اليوين و  پيروكسنها،  پيروكسنها و پلاژيوكلازها تشكيل شده اند. برخي از اين سنگها بي شك نشان دهنده تجمع بلورها درون يك محفظه ماگمايي در پوسته زمين هستند. برخي ديگر نيز ظاهراً در جبه تشكيل شده سپس در حالت نيمه جامد وارد پوسته شده اند. به هر حال در هر دو مورد اين سنگها كه معمولاً تك كانيايي يا دو كانيايي مي باشند در شرائط پوسته از ماگمايي با تركيب شيميايي نظير خود متبلور نشده اند شاهد اين مدعا است كه گدازه هايي با چنين تركيب شيميايي يافت نشده اند. ميانگين تجزيه شيميايي اين سنگها در جدول بالا نشان داده شده است.

كانيهاي سيليس:

سيليس در طبيعت بصورت هفت كاني مشخص يافت مي شود كه در اين ميان كوارتز، كريستوباليت و تريديميت شكلهايي از سيليس هستند كه مي توانند در سنگهاي آذرين رخ دهند. اين سه شكل از سيليس نمايش دهنده هر پديده انانتيوتروپيسم هستند كه هر يك داراي حوزه پايداري خود است. انواع كانيهاي سيليس عبارتند از :

1-   كوارتز (شامل كلسدوني): سنگهاي آذرين در فشار اتمسفر و تا دماي 867 درجه پايدار است.

2-              تريديميت : در سنگهاي ولكانيك بين 867 تا 1470 درجه.

3-   كريستوباليت: در سنگهاي ولكانيك از 1470 درجه تا نقطه ذوب يعني 1713 درجه پايدار است. سيليس مايع نيز از 1713 درجه تا نقطه جوش پايدار است.

4-   اوپال: يك كاني غير معمول نيست SiO₂nH₂O  كاني ايزوتوپ به رنگهاي مختلف از چشمه هاي آب گرم حاصل مي شود. فرم آبدار كريستوباليت.

5-              لوشاته ليريت(Lechatelirite): شيشه سيليس بسيار كمياب است.

6-              كوئزيت (Coesite): شكل فشار بالا

7-   استيشوئيت: شكل فشار بالا داراي چگالي بالاي 29/4 ناشي از تغيير كورديناسيون چهار به شش است.

كوارتز كريستوباليت و تريديميت پديده انانتيوتروپيسم (Enantiotropism) هستند . شكلهايي از سيليس كه مي توانند در سنگهاي آذرين رخ دهنده اين پديده انانتيوتروپيسم مركب هر يك داراي حوزه پايداري خود است.

كوارتز در معرض آب :

افزايش مقدار ناچيز H₂O به اين سيستم نتايج قابل توجهي به ياد مي آورد. اين سيستم در دماي تا 1300 درجه و فشار بخار آب     2000kg/cm²بررسي شده است.

ذوب كوارتز در فشارهاي بيش از1400kg/cm²  در 1125 درجه رخ مي دهد يعني چيزي معادل 600 درجه كاهش در نقطه ذوب مايعي كه از اين طريق تشكيل مي شود. نوعي مذاب سيليس آبدار است كه داراي تقريباً  درصد H₂O است.

هر يك از سه پلي مورف داراي انواع دما بالا و دما پايين است. (اشاره به شكل) كوارتز دما پائين و كوارتز دما بالا فقط در محدوده اي از حوضه پايداري خود تشكيل شده و هيچگاه در دماي بالاتر تشكيل نمي شود. از روي اين اصل مي توان به نتايج زير دست يافت.

تعداد اندك تجزيه كامل كوارتز حضور مقادير Al , Na را نشان مي دهد كه بيان كننده جايگزيني NaAl به جاي Si در ساختمان باز است. از طرف ديگر كوارتز معمولاً بصورت SiO₂ خيلي خالص نيز يافت مي شود در مطالعه كوارتز دو پديده مهم قابل توجه است:

1-   اگر چه كوارتز فاز پايدار در دماهاي كمتر از 867 درجه است اما كريستوباليت و يا تريديميت هم مي توانند در زير اين دما متبلور شوند بخصوص هنگامي كه تبلور به سرعت رخ مي دهد. (مثلاً در حضور كانه زاها يا مينراليزرها (Mineralizers) چون گازهاي داغ).

2-   كوارتز دما پايين و كوارتز دما بالا فقط در محدوده حوضه پايدار خود تشكيل مي شوند و هيچگاه در دماي بالاتر تشكيل نمي شوند از روي اين اصل مي توان به نتايج زير دست يافت:

حضور كوارتز در يك سنگ آذرين نشان دهنده اين است كه تبلور آن از ماگماي در دماي زير 867 درجه صورت گرفته است (البته با در نظر گرفتن اثر فشار) از طرف ديگر حضور كريستوباليت با تريديميت بهيچوجه نمي تواند نشان دهنده دماي تبلور باشد. در درجات حرارت معمولي كوارتز همواره بعنوان كوارتز كم حرارت حضور دارد.