Анатексис

Анатексис — это процесс частичного плавления горных пород в глубинных зонах земной коры и верхней мантии, приводящий к образованию магмы. Термин происходит от греческих слов «ἀνά» (вверх) и «τῆξις» (плавление). В отличие от полного плавления, при анатексисе расплавляется лишь часть исходного материала, обычно наиболее легкоплавкие компоненты, что приводит к образованию магмы, состав которой отличается от состава исходной породы. Этот процесс является ключевым механизмом гранитообразования и играет важную роль в дифференциации земной коры.

История изучения

Понятие анатексиса было введено в петрологию в начале XX века. Одним из первых его описал финский геолог Якоб Седергольм в 1907 году, который использовал термин для объяснения происхождения гранитов в зонах регионального метаморфизма. До этого долгое время господствовала теория магматического происхождения гранитов, предполагавшая их кристаллизацию из расплавов, внедрившихся из мантии. Однако наблюдения за геологическими структурами, где гранитные тела тесно связаны с метаморфическими породами, привели к развитию концепции ультраметаморфизма, частью которого является анатексис.

В середине XX века, с развитием экспериментальной петрологии, были проведены первые лабораторные исследования плавления горных пород при высоких давлениях и температурах. Работы Н. Л. Боуэна, О. Таттла и других ученых показали, что при определённых условиях (наличие воды, повышенное давление) гранитные расплавы могут образовываться непосредственно в коре. В советской науке значительный вклад в изучение анатексиса внесли В. С. Соболев, Ю. А. Кузнецов и В. А. Макарычев, которые разработали классификации типов анатексиса и связали их с тектоническими режимами.

Механизм процесса

Анатексис происходит в условиях регионального метаморфизма высоких ступеней (амфиболитовая и гранулитовая фации) и ультраметаморфизма. Для начала плавления необходимо сочетание двух основных факторов: высокой температуры (обычно выше 650–700 °C) и присутствия флюида (преимущественно воды).

Роль флюида

Вода резко снижает температуру солидуса (начала плавления) горных пород. В сухих условиях гранитный расплав может образовываться лишь при температурах выше 900–1000 °C. В присутствии водного флюида, особенно при давлениях 5–10 кбар (глубины 15–35 км), температура солидуса гранитной системы падает до 650–700 °C. Источником воды могут служить:

• Дегидратация водосодержащих минералов (слюд, амфиболов) при прогреве.
• Поступление флюидов из мантии или из нижележащих горизонтов коры.

Частичное плавление

При анатексисе плавление никогда не бывает полным. Первыми плавятся минералы с наименьшей температурой плавления: кварц и полевые шпаты (в первую очередь калиевый полевой шпат и альбит). Темные минералы (биотит, роговая обманка) остаются в твёрдом остатке (рестите) дольше. В результате образуется расплав кислого (гранитного) состава, который отделяется от более тугоплавкого, мафического (основного) остатка.

Отделение расплава

Образовавшийся гранитный расплав, будучи менее плотным и более вязким, чем окружающие породы, стремится отделиться. Этот процесс называется сегрегацией. Механизмы сегрегации включают:

• Фильтрационное давление: расплав выдавливается из породы в трещины и зоны разломов под действием тектонических напряжений.
• Диапиризм: крупные массы частично расплавленной породы (диапиры) всплывают вверх, прорывая вышележащие слои.
• Миграция по трещинам: расплав заполняет трещины, образуя дайки и жилы.

Типы анатексиса

В зависимости от условий и механизма выделяют несколько типов анатексиса.

По характеру флюида

• Водный анатексис: происходит в присутствии водного флюида. Наиболее распространённый тип, приводящий к образованию гранитов нормального ряда.
• Углекислотный анатексис: происходит при участии флюида, богатого CO₂. В таких условиях температура плавления повышается, и расплавы имеют более основной состав.
• Сухой анатексис: происходит без участия внешнего флюида, за счёт плавления собственных водосодержащих минералов. Характерен для глубоких уровней коры (гранулитовая фация) и даёт начало чарнокитовым (гиперстеновым) гранитам.

По тектонической обстановке

• Коллизионный анатексис: связан со столкновением континентальных плит. При коллизии происходит утолщение коры, её погружение на глубину и разогрев за счёт радиоактивного распада и тектонического трения. Этот тип анатексиса характерен для зон горообразования (Гималаи, Альпы, Урал). В результате образуются крупные гранитные батолиты.
• Анатексис в зонах субдукции: происходит в надсубдукционной обстановке, где мантийные расплавы, поднимаясь, вызывают плавление коры над зоной погружения океанической плиты. Этот тип менее распространён, но может приводить к образованию андезитовых и дацитовых магм.
• Анатексис в рифтовых зонах: связан с растяжением коры и подъёмом астеносферы. В таких зонах происходит интенсивный прогрев коры, что может вызвать плавление как нижней, так и средней коры.

Геологическое значение

Анатексис является одним из главных процессов, определяющих эволюцию континентальной коры. Его значение заключается в следующем:

• Гранитообразование: анатексис — основной механизм образования гранитных магм. Более 90% всех гранитов на Земле имеют анатектическое происхождение.
• Дифференциация коры: в результате анатексиса происходит разделение коры на два слоя: верхний — гранитный (богатый кремнезёмом и щелочами) и нижний — гранулитовый (обеднённый гранитными компонентами, обогащённый железом и магнием). Этот процесс называется гранитизацией.
• Формирование рудных месторождений: при анатексисе в расплав могут переходить редкие и рудные элементы (литий, бериллий, тантал, ниобий, олово, вольфрам, уран, торий). При кристаллизации таких гранитных расплавов образуются месторождения этих металлов.
• Термальная эволюция коры: анатексис — это мощный механизм переноса тепла из глубин к поверхности. Поднимающиеся гранитные магмы переносят огромное количество тепла, вызывая дополнительный метаморфизм и плавление вмещающих пород.

Примеры проявления

Классическим регионом проявления анатексиса являются Гималаи. В зоне Главного Центрального Тектонического Надвига, где происходит столкновение Индийской и Евразийской плит, широко развиты мигматиты — породы, представляющие собой смесь метаморфического субстрата и жильного гранитного материала. Здесь же находятся крупные тела гранитов — лейкограниты, образовавшиеся в результате анатексиса утолщённой коры.

В России ярким примером служат гранито-гнейсовые купола Алданского щита и Кольского полуострова. В этих регионах, в результате древних коллизионных процессов (архей-протерозой), происходило массовое плавление коры, что привело к формированию гранитных батолитов и сложных метаморфических комплексов.

Экспериментальное моделирование

Изучение анатексиса активно ведётся методами экспериментальной петрологии. В лабораторных условиях, используя аппараты высокого давления (например, поршень-цилиндр, мультианвильные прессы), исследователи воспроизводят условия, существующие на глубинах 10–40 км. Образцы горных пород (гнейсов, граувакк, базальтов) нагреваются до 700–1000 °C при давлениях 5–15 кбар. Анализ полученных расплавов и твёрдых остатков позволяет определить:

• Температуру солидуса и ликвидуса для разных типов пород.
• Состав образующегося расплава в зависимости от температуры, давления и состава флюида.
• Кинетику плавления и отделения расплава.

Эти данные используются для построения моделей, описывающих процессы гранитообразования в реальных геологических обстановках.

Критика и альтернативные гипотезы

Несмотря на широкое признание, концепция анатексиса не лишена критики. Некоторые исследователи (например, сторонники модели мантийного происхождения гранитов) утверждают, что значительная часть гранитных магм образуется не в коре, а в мантии, а затем дифференцируется в процессе подъёма. Другие указывают на то, что для анатексиса в больших объёмах требуется слишком много воды, источник которой не всегда очевиден. В ответ на это были разработаны модели дегидратационного плавления, при котором вода выделяется из минералов (биотита, роговой обманки) при их разложении, без участия внешнего флюида. Также существуют гипотезы о роли флюидно-магматического замещения, когда метасоматические процессы подготавливают породу к плавлению, изменяя её состав.