Магматическая дифференциация рассматривает все процессы, которые могут привести к распаду однородной родоначальной магмы на фракции, образующие в конечном итоге горные породы различного состава. Выражение «однородная магма» подразумевает, что крупные образцы, взятые произвольно из начальной магмы, одинаковы как в смысле валового состава, так и физического состояния. Тем не менее, магма может быть неоднородна в малых полях. В частности это вызвано ее частично жидким, а частично твердым состояние до начала дифференциации.
Поведение водных растворов в лабораторных условиях позволяет предположить наличие различных механизмов, которые могут вызвать дифференциацию силикатных магм. Они были рассмотрены Боуэном с количественной точки зрения, и основные его выводы сводятся к следующему:
1. Внутри еще полностью жидкой магмы может возникнуть различие в составе вследствие опускания тяжелых ионов или кластеров под действием силы тяжести или вследствие миграции ионов в тех участках жидкой массы, где возникает температурный градиент. Этот механизм Боуэн отвергает, так как он не имеет важного значения вследствие чрезвычайно низкой скорости миграции ионов в вязкой магме, а также ввиду малой величины температурных градиентов даже в равновесном состоянии.
2. Возможно, что однородная жидкая магма при охлаждении распадается на две несмешивающиеся жидкие фракции. Однако существует весьма убедительное доказательство, полученное во время лабораторных опытов, а также наблюдений за поведением шлака в металлургических плавках и исследований структуры самих пород, что при температуре магмы силикатные рсплавы, приближающиеся по составу к магматическим горным породам большинства (если не всех) известных видов, смешиваются во всех пропорциях. Механизм несмесимости также был отвергнут Боуэном и другими исследователями как непригодный для дифференциации. Возможным исключением является образование в основных лавах миндалин, выполненных минералами, богатыми железом и кремнеземом (зеленый халцедон, карбонаты).
3. Некоторые петрологии для объяснения дифференциации обращались к несколько неопределенному механизму «переноса в газовой фазе». Эта гипотеза предполагает присутствие газовой фазы, состоящей главным образом из летучих веществ (H2O, CO2 и т.д.), встречающихся в виде бесчисленных пузырьков, плавающих в жидкой магме. Они могут действовать как собиратели и переносчики слабо летучих составляющих магмы. Можно теоретически себе представить, что магма могла достигнуть некоторой критической точки, когда твердые кристаллические фазы пришли бы в соприкосновение с одной единственной жидкой (газообразной) фазой, возможно очень подвижной. Эта подвижная жидкость (газ) должна иметь такой же состав, как и жидкая магма. Трудно предположить, что такое разделение произойдет в глубинных условиях, по крайней мере, до тех пор, пока кристаллизация (а значит и дифференциация) развита незначительно. Однако вблизи поверхности Земли, то есть в типично вулканических условиях, например в магматических резервуарах, подающих материал в вулканический кратер, выделение магматического газа, может, конечно, происходить в большом количестве и способствовать процессу дифференциации.
4. Вероятно, гораздо большее значение, чем собственно газовый перенос, имеет механизм, при котором различие состава может возникнуть в жидкой магматической фазе под действием растворенной воды. Вода за счет диффузии будет распределяться в магме таким образом, чтобы ее химический потенциал оставался постоянным во всей магматической камере. С помощью этого механизма вода будет накапливаться в магматической камере в областях с наиболее низким давлением и температурой. Щелочи и некоторые металлы, так же как и вода, будут концентрироваться в областях наиболее низких давлений и температур. Однако таким способом можно только на качественном уровне объяснить, каким образом могут возникать местные концентрации «летучих» и щелочей под влияние градиентов температуры и давления в охлаждающейся магме, без переноса щелочей в дискретной газовой фазе.
5. При начале кристаллизации магмы в качестве возможных факторов дифференциации начнут действовать различные механизмы фракционной кристаллизации (то есть выделение последовательных кристаллических фракций из остаточного магматического расплава). На кристаллизационную дифференциацию почти всегда участвующую в дифференциации, отчетливо указывают минеральные ассоциации, наблюдающиеся в магматических горных породах. Огромное количество экспериментальных данных по кристаллизации таких соединений, как полевые шпаты, фельдшпатоиды, пироксены, оливин и кварц, из силикатных расплавов в управляемых условиях ясно показывает, что минералы, встречающиеся совместно в магматических горных породах, кристаллизуются при одних и тех же температурах (например, оливин-диопсид, оливин-лабрадор, ортоклаз-олигоклаз, фаялит-ортоклаз). Минералы же с резко различными областями кристаллизации (например, олигоклаз и оливин, ортоклаз и диопсид, мусковит и лабрадор) совместно не встречаются. Учитывая все это, кристаллизационную дифференциацию, вероятно, следует считать главным из участвующих в дифференциации факторов.
Кроме того, существуют процессы, действующие отдельно или в некоторой последовательности, способные привести к разделению магмы на составные части:
1. Осаждение кристаллов тяжелых минералов в менее плотной жидкости (гравитационная дифференциация). Этот процесс может быть эффективным, особенно на ранних стадиях, когда жидкая магма все еще преобладает и еще не слишком вязкая, чтобы мешать оседанию кристаллов. Существование слоев, богатых оливином и авгитом, в дифференцированных силах основного состава, может рассматриваться как доказательство эффективности осаждения кристаллов, Кроме того, лабораторными опытами доказана возможность осаждения кристаллов оливина и пироксена в жидкости, имеющей плотность базальтовой магмы. В крупных стратифицированных интрузиях основного состава (интрузивные комплексы Скергаард и Стиллуотер) наблюдается пластовая форма и структурные особенности сортировки, аналогичные структурам, возникающим в результате постепенного осаждения кластических осадков Это не оставляет сомнения в том, что в формировании этих интрузий основную роль играл процесс накопления кристаллов, опускавшихся в жидкой магме. Здесь наблюдается отчетливая концентрация тяжелых минералов (оливин, пироксен и хромит) в нижних слоях. Тем не менее до сих пор еще не доказано, что высокая степень дифференциации этих интрузий полностью или хотя бы в большей своей части обусловлена простым гравитационным осаждением ранее образовавшихся тяжелых кристаллов.
2. Всплывание легких кристаллов (например, полевого шпата, лейцита) в тяжелой жидкости. Этот механизм был использован для объяснения присутствия анортозита (лабрадорит, анортозит) на верхних уровнях интрузий габбро. Это, вероятно, менее распространенный процесс, чем процесс осаждения тяжелых минералов, подобных оливину и авгиту.
3. Если на некоторой стадии эволюции магмы развивается газовая фаза, и если пузырьки газа всплывают кверху, то на концентрацию легких кристаллов вверху может, по-видимому, оказать влияние процесс флотации. Он заключается в том, что поднимающиеся пузырьки садятся на отдельные кристаллы и заставляют их всплывать кверху. Если к моменту кипения кристаллизация зашла достаточно далеко, то поднимающийся газ может выдуть остаточную жидкость кверху через промежутки между кристаллами. Этот механизм получил название «газовая промывка». Он объясняет взрывной выброс трахитов, отделившихся из оливиново-базальтовой магмы.
4. Когда кристаллизация магмы в глубинных условиях продвинулась достаточно далеко, кристаллы образуют непрерывную сетку, в порах которой сохраняется остаточная жидкость. Если вся масса сжимается при подвижках вмещающих пород, о остаточная жидкость выжимается с образованием отдельного от дифференцированной магмы тела. Если сетка кристаллов разрывается под действием растягивающих сил, то остаточная жидкость стремится заполнить образовавшиеся таким образом пустоты. Этот процесс называется «автоинтрузией». Одним из многочисленных примеров подобного процесса считается образование неправильного тела сиенита мощностью 18 м в дифференцированном силе основного состава на острове Шайант в Шотландии. Существуют примеры разламывания кварцитов и подобных им хрупких пород, что вызывает миграцию остаточной магмы в образованные таким образом полости.
5. Ранее образованные кристаллы тяжелых минералов (оливин, пироксены) могут концентрироваться в движущейся магме с помощью механизма, аналогичного отмучиванию. Этому должна благоприятствовать низкая вязкость жидкой фазы, и его эффекты следует искать в массе основных изверженных пород, содержащих большое количество воды (например потухший третичный вулкан в штате Орегон).
6. Природа жидкой фракции кристаллизующейся магмы в определенный момент зависит от природы материнской магмы, преобладающих температуры и давления, степени, до которой уже развилась фракционная кристаллизация, и характера равновесия между кристаллами и жидкостью. Многие минералы магматического происхождения, устойчивые при высоких температурах, становятся неустойчивыми на контакте с магматической жидкостью при более низких температурах. Равновесие обычно восстанавливается при реакции между жидкостью и кристаллами, причем образуется некоторая новая кристаллическая фаза. Это процесс обратный инконгруэнтному плавлению В некоторых условиях охлаждения новая устойчивая фаза может образовывать каемку вокруг кристалла неустойчивой фазы, которая, таким образом, будет изолирована от жидкости. Вследствие того, что диффузия в ионном кристалле идет намного медленнее, чем в жидкости, скорость реакции сразу резко падает и становится бесконечно малой, по мере того как растет толщина защитной оболочки из устойчивой кристаллической фазы. Хорошо известные зональные кристаллы (например, плагиоклазы) и реакционные каемки минералов магматических пород показывают, что это обычное явление. Возникающая в этом случае неравновесность не может явиться причиной дифференциации, за исключением весьма малых областей вокруг отдельных зональных кристаллов, но она может сильно повлиять на состав остаточных жидкостей и горных пород, дифференциация которых происходила иначе, например при помощи «промывания газом». Таким образом, это явление можно считать одним из возможных способов дифференциации.
Процессы, перечисленные выше, в целом представляются достаточными для объяснения большинства магматических явлений, обычно приписываемых дифференциации. Это, однако, не означает, что дифференциация является основным или тем более необходимым фактором, обусловливающим разнообразие магматических пород.