Magmás krisztallizáció

A lemeztektonikai környezetek függvényében kialakult változatos összetételű kőzetolvadék a felsőköpeny vagy kéreg magmakamráiban halmozódik fel és megfelelő törésrendszer esetén a felszín felé hatol. Összetétele a forrásmagmához képest jelentős változáson megy keresztül, amelyet a mellékkőzetekkel történő érintkezés (kontamináció) és belső kristályosodási folyamatai vezérelnek. A sokkomponensű, összetett rendszer megszilárdulása folyamatos hőmérséklet és nyomásváltozással együtt járva, több szakaszban történik. A lehűlési folyamat során kristálymagok alakulnak ki (nukleáció), amelyek növekedésével a szilárd fázis aránya egyre nagyobb lesz. A kristályosodási folyamat két fő része a likvid- és utómagmás szakasz. A likvidmagmás szakasz további két részre osztható: elő- és főkristályosodási fázis.

Az előkristályosodási fázisban (1200-950 °C) a könnyenillók oldott állapotban vannak. Ha a magma nagyobb mennyiségű ként tartalmaz, a szulfid és szilikátolvadék kölcsönös oldhatósága csökken, és a kristályosodás megindulása előtt szétkülönülnek. A közöttük lévő sűrűségkülönbség miatt meginduló gravitációs differenciáció eredményeként a szulfidolvadékból kivált nagy olvadáspontú fémszulfidok (pirrhotin, pentlandit, kalkopirit) a magmakamra alsó részén halmozódnak fel (46. ábra). Ha a fémikus alkotók nagyobb aránya mellett a kén mennyisége kevesebb, akkor gazdaságilag jelentős nehézfémoxidok (spinellek, magnetit, kromit) és platinaásványok válnak ki. A gyémánt kristályosodása ebben a fázisban az ultrabázisos kimberlitek nagynyomású, könnyenillókban gazdag, meredek falú kürtőiben következik be.

A kőzetalkotó szilikátásványok kiválása (a kőzetek kialakulása) a magma megszilárdulásának főkristályosodási szakasza. A mészalkáli sorozatba tartozó kőzetek ásványos alkotóinak kiválásában mutatkozó törvényszerűségeket Bowen már a múlt században felismerte. A kivált ásványok és az olvadék közötti sűrűségkülönbség miatt a kristályos fázisok elkülönülnek az olvadéktól, melynek összetétele folyamatosan változik (46. ábra). A kristályosodás során kristályszerkezetükben és összetételükben különböző ásványok váltják egymást (frakcionált kristályosodás). A mészalkáli összetételű magmákban a kristályosodási sorrendnek megfelelően a maradékolvadékban csökken a MgO, Fe2O3, FeO, és a CaO koncentrációja, növekszik az SiO2, Na2O és K2O viszonylagos mennyisége (Bowen-trend). A sorozatban a sötét kőzetalkotó ásványok kiválási sorrendje hozzávetőlegesen a szilikátok szerkezeti csoportsorrendjével egyezik meg, a nézoszilikátok (olivin) egyszerű, önálló SiO44- tetraéderekkel jellemezhető szerkezetétől a legnagyobb fokú összekapcsolódást jelentő háromdimenziós térhálós szerkezetig (46. ábra). Ideális magmából minden szakasz kifejlődik, de a szakaszok mennyiségi és minőségi arányai változhatnak. A kőzetek újraolvadása, anatexise során a Bowen sor fordítva is lejátszódhat, az utolsóként kivált kvarc megolvadásával (szelektív olvadás). Az olvadási időtartam hosszú és leggyakrabban savanyú gránitos olvadék képződik. Az óceánközépi hátságok bazaltjaiban kevesebb a kőzetalkotó szilikát és több az oxid, a csökkenő SiO2 és Al2O3 mellett növekszik az összes vas és a TiO2 relatív mennyisége. A hőmérséklet csökkenésével az ásványos fázisokba egyre több Fe2+ épül be Fe-Ti oxidok (magnetit, ilmenit) és Ca-plagioklász kiválása mellett.

46. ábra. A kőzetalkotó szilikátok Bowen-féle kiválási sorozata. Egy ideális magmakamrában az olvadék hőmérséklet és összetétel alapján rétegződhet és a teljes kiválási folyamat végbemegy. Általában azonban csak a sor egyes szakaszai játszódnak le és hoznak létre bázisos, semleges vagy savanyú kőzeteket.

A főkristályosodás végére a magma jelentős része kőzetként megszilárdult. A magmakamra kupolarészén felhalmozódott könnyenillók eltávozására eddig nem volt lehetőség, és további kristályosodási folyamatok során jelentősen növelik a magmamaradék belső nyomását, és csökkentik a viszkozitást. Az utókristályosodási folyamat első szakasza a pegmatitos (700-550 °C), a második a pneumatolitos fázis .(550-375 °C). A nagy illónyomás gyakran meghaladja a mellékkőzet törési szilárdságát, és a batolitkupolán hasadékokat hoz létre. Az agresszív kémiai és fizikai tulajdonságú fluidum benyomulását intenzív nyomáscsökkenés követi, amely óriási kristályok növekedésének enged teret, pegmatitos ásványtársulásokat hozva létre. Ezek akár több 10 méter széles hasadékokat kitöltve gyakran teléres megjelenésűek, melyekben nem ritkák a több méteres kvarc, ortoklász, valamint több m² felületű muszkovitkristályok. Csoportosításuk a gazdaságilag hasznosítható ásványok alapján történik. A gránitpegmatitok ásványai a Bowen-sor alacsony hőmérsékletű végén található olvadékban maradt szilikátok (káliföldpát, muszkovit, kvarc) lesznek, így a fázis átmenetet képez a fő- és utókristályosodás között. Jelentősek a drágakő pegmatitok (berill, korund, topáz, turmalin, zafír, Ural, Madagaszkár). Az ércpegmatitokban ritkább elemek is dúsulhatnak: B, Li, Cs, Be, Zr, Th, U, Ti, Nb.

A pneumatolitos fázisban a fluidumok továbbra is nagyon agresszíven viselkednek. Mélységi és szubvulkáni szinten a magma és a mellékkőzet reakcióba léphet egymással utóbbi kontakt metaszomatikus átalakulását idézve elő. Leggyakoribb reakcióképes kőzetek a mészkő és a dolomit, az új fázisok Ca-szilikátokban gazdag ásvány együttese a szkarn (diopszid, andradit, grosszulár, epidot), amelyben Cu, Fe, W, Mo, Au ércek (Recsk) is lerakódhatnak. A greizen típusú átalakulásnál a kvarcot, csillámot, topázt tartalmazó breccsás kőzethez jelentős Sn-W-Mo ércesedés kapcsolódhat.

Az utómagmás fázis kisebb hőmérsékletű 375 °C alatti szakasza a hidrotermás fázis. Miután a magmamaradék hőmérséklete a víz kritikus hőmérséklete alá csökken, a fluid állapot megszűnésével valódi vizes oldatként cirkulál a kőzetek repedésrendszerében. A hidrotermális vizes oldat-gőz rendszer oldott anyagainak koncentrációja és minősége erősen ingadozó, és a fluidum – kőzet kölcsönhatás miatt helyileg változhat. Összetételére a fémek kis részaránya mellett klorid, fluorid, bikarbonátok, szulfátok, alkálföldfém szilikátok és kovasav jellemző. A fázis gazdasági jelentőségét a színes- (Pb, Zn, Co, Ni, Hg, Sb, As) és nemes fémek (Au, Ag) adják, melyek általában több elemből álló polimetallikus szulfidos érctelepeket hoznak létre. Gyakoriak az andezites szubvulkáni intrúziók (Selmecbánya, Telkibánya) környezetében, ahol a hőmérséklet csökkenésével a repedéseket (hintett eres, teléres) vagy a mellékkőzet porozitását (impregnácó) felhasználva válnak ki. Az utómagmás szakasz vége felé erőteljesen felhalmozódik a vizes oldatban a nemérces ásványokat képző ionok tömege, így a telérekben ércmentes hidrotermális kiválások képződnek. Gyakoriak a kristályos (hegyikristály, ametiszt, füstkvarc) és amorf (achát, kalcedon, opál) kvarcváltozatok, de barit, kalcit, fluorit is megjelenik e telérek kitöltő anyagaként. Szubvulkáni és vulkáni szinten a hidrotermák a kőzetek kihűlési - tektonikai repedésrendszerét vagy porozitását kihasználva a kőzetalkotó szilikátok átalakulásával gyakori a kőzetek agyagásványos elbontása és intenzív kovásodása.

A recens hidrotermás tevékenység az aktív vulkánok környezetében a vulkáni utóműködés jelenségeiben nyilvánul meg. A geotermális mezők (Izland, Új-Zéland, Japán, Olaszország) felhevített pórusvizei látványos hévforrásműködést produkálnak. Az óceánközépi hátságok bazaltos vulkáni környezetében a gőzfázis és a hideg tengervíz reakciójával fekete füstölők (black smoker) működnek, melyek anyagából szulfidok csapódnak ki. A felszíni gázexhalációk vegyi összetétele és hőmérséklete (100-200 °C) nagyon változatos. A szolfatárák (H2S. SO2, gáz), fumarolák (vízgőz), mofetták CO2), szoffiónik (bórsavkivirágzások) kigőzölgéseiből kén, szalmiák, gipsz válik ki.