مقدمه:

اختلاط ماگماها يک عمل عکس تفريق است: تفريق از يک ماگمای اوليه هموژن، سنگها و مايعات با ترکيب مختلف ايجاد می کند، در حاليکه در اختلاط، مايعات اوليه متفاوت برای تشکيل يک ماگما با ترکيب حدواسط ترکيب می شوند. عمل اختلاط می تواند در هر لحظه از موجوديت ماگما در منطقه ذوب بخشی جائيکه از آن نشأت می گيرد،در داخل اتاق ماگمايی در طول مراحل متوالی پرشدگی و در داخل مجرای تغذيه کننده، ايجاد شود.

معمولا عمل اختلاط به طور کامل صورت نمی گيرد زيرا انتشار شيميايی به کندی صورت می گيرد. البته در يک محيط اغتشاشی و طی يک همرفتی شديد می توان انتظار داشت که عمل اختلاط به طور کامل صورت پذيرد.

اختلاط ماگماها حاصل دو فرآيند توضيح داده مي شود: 1- آميزش           2- امتزاج

الف- آميزش (Blending) : شامل اختلاط دو يا تعداد بيشتري ماگما باتركيب متفاوت است كه مخلوطي هموژن ازنقطه نظر فيزيكي و شيميايي تشكيل مي دهند و تركيبي حدواسط دارا مي باشد. البته بررسي خصوصيات سنگهاي هيبريدي (مختلط) نشان مي دهد كه آميزش اهميت كمتري از امتزاج دارد.

ب- امتزاج (mingling) : امتزاج دوماگماي غيرمتجانس توليد مخلوطي هتروژن مي كندكه شامل بخش هايي مجزا بوده و داراي عضوهاي انتهايي (end-member) مثل ريوليت و بازالت مي كند. اين امر منجربه ايجاد مخلوطي ناقص ازماگماهاي مختلف مي شود. سنگ آذرين حاصل تركيبي حدواسط ازدو ماگماي مادر (اوليه) دارد.

ماگماهايي كه تحت تاثير فرآيند اختلاط ماگمايي قرار مي گيرند ، معمولا ماگماهاي هيبريدي خوانده مي شوند . ماگماهاي هيبريدي خواص حدواسطي را ازدو ماگماي مادر (اوليه) به ارث مي برند.

اگر يكي ازماگماها يا هردوي آنها داراي بلورهاي نامتعادل با ماگماي هيبريد باشند با آن واكنش داده ويا درآن تحليل مي روند و تركيب شيميايي يك ماگماي هيبريد معين به نسبت مايعات مختلف و مواد جامد تحليل رفته بستگي دارد و همچنين ممكن است ماگماي هيبريد مخلوط ساده اي ازدو ماگماي حدنهايي نباشد. بنابراين همواره اختلاط ماگماها ، نتيجه تركيب خطي و ساده تركيبات شيميايي دوماگما نمي باشد.

اختلاط ماگماها با پديده هضم متفاوت است. اين فرضيه اولين بار توسط لومتر در 1926 عرضه گرديد. امروزه مسئله اختلاط ماگمايي باتوجه به تكنيك هاي جديد ژئوشيميايي ، مطالعات انكلوزيونها و كاني شناسي درمورد تمام سريهاي ماگمايي كم وبيش به اثبات رسيده است.

 عوامل كنترل كننده اختلاط ماگماها :

هنگامي كه دويا تعداد بيشتري ماگما بايكديگر مخلوط مي شوند ، عواملي همچون ويسكوزيته و چگالي منجربه ايجاد مرزبنديهايي بين آنها مي گردند. آزمايشات تجربي با شبيه سازي فرآيندهايي كه درخزانه يا اتاق ماگما بوقوع مي پيوندند درك اين مسئله را آسان نموده اند.

1- ويسكوزيته: وسكوزيته مقاومت دروني يك مايع دربرابر جريان يافتن است. و برعكس جهت يافتگي يا تحرك پذيري است. ويسكوزيته با تغيير دما و تركيب مايع متغير است. افزايش SiO2 باعث افزايش ويسكوزيته ماگما مي شود و ماگماي ريوليتي ويسكوزيته بالاتري از ماگماي بازالتي دارد.

2- چگالي: همانطور كه مي دانيم چگالي ، جرم واحد حجم مواد است بنابراين :      P = ΣM1Xx /  ΣV1X1

چگالي با دما تغيير مي كند. افزايش دما باعث كاهش چگالي مي شود. البته مهمتراز اثر دما برچگالي ، تركيب ماگماست. ماگماهاي مافيك مثل بازالت چگالي بيشتري نسبت به ماگماهاي فلسيك دارند و افزايش آب صرفنظر از تركيب ، چگالي مذاب را پايين تر خواهدآورد.

مثال: بازالت اسكوري كه باندهايي از پوميس ريوليتي دارد مثال اختلاط دوماگما با تركيب متفاوت است كه قبل يا همزمان با فوران با يكديگر تماس يافته اند. سردشدن بعداز فوران آنقدر سريع بوده است كه انجماد ماگما منجربه امتزاجي مشخص و واضح درسنگ شده است. درواقع آنچه كه مي بينيم اختلاط ناقص دو ماگماست كه مرزهاي مشخصي را كه نتيجه اختلاف چگالي و ويسكوزيته است بين آنها ايجادكرده است.

شواهد اختلاط:

شواهد موجود در برخي ازتوده هاي نفوذي لايه لايه حاكي از اختلاط و آميختگي آنهاست. اين شواهد عبارتنداز:

الف- تكه هاي مجزاي ماگمايي

ب- مايعات هم منشأي كه مراحل تفريق متفاوتي را طي كرده اند. اين فرآيند را مي توان در دهانه ها و اتاقهاي ماگمايي ساب و لكانيك به آساني به اثبات رساند. بخصوص هنگامي كه ماگماي اصلي و تازه با ماگماي تفريق يافته باقي مانده برخورد نمايد ، پديده مزبور رخ مي دهد.

همچنين سعي شده است كه ارتباط بين شيشه هاي سيليسي و بازيك موجود در خميره برخي ازسنگهاي آتشفشاني را بكمك اختلاط ماگمايي توضيح دهند. البته امروزه اين شيشه ها را بعنوان مايعات ممزوج نشده اي درنظر مي گيرند كه بحالت جامد درآمده اند.

نكته قابل توجه دراين خصوص اين است كه سنگهايي كه تركيبشان بين بازالت و ريوليت است را نمي توان نتيجه اختلاط ماگما دانست (خلاف نظريه بونسن Bunsen,1851 ). درمقياس كوچك ، ماگماهاي اسيد و بازيك به سختي با يكديگر مخلوط مي شوند. دلايل فيزيكي كه براي اين مخلوط نشدگي قابل ذكراست اين است كه وقتي ماگماي بازيك در گدازه هاي نيمه مذاب اسيد وارد مي گردد ، ماگماي بازيك درزير ماگماي اسيد قرار مي گيرد. دراين حالت استقرار ماگماي اسيد و سبك روي ماگماي بازيك ازنظر ترموديناميكي داراي حالت پايدارتري نسبت به اختلاط اين دو ماگماست.

براي اثبات اختلاط ماگما شواهد بسياري موجود است. مثلا اغلب شواهد سنگ شناسي و شيميايي ، مثل حالت عدم تعادل كه بعنوان دليلي در تاييد اختلاط ماگماها ابراز شده اند را مي توان با فوران و اختلاط ماگماي موجود در يك اتاق ماگمايي كه ازنظر تركيب شيميايي حالت منطقه اي دارند توضيح داد. همچنين تغييرات ايزوتوپي كمك شاياني به اثبات وجود اختلاط ماگمايي مي كند.

مراحل تكامل مخلوط هاي ماگمايي:

اگر دوماگما كه ازنظر فيزيكي و شيميايي نسبت به هم متفاوت بوده به هم برخورد نمايند ، اشكالي از مخلوط شدن ازخود نشان مي دهند كه مي توان مراحل تدريجي اختلاط را تا پايان دنبال نمود. اين مراحل عبارتنداز:

مرحله اول: اختلاط مكانيكي و تشكيل انكلاوهاي آتشفشاني هم منشأ:

دراين مرحله برخورد ماگماي بازيك كم حجم و باغلظت كمتر خود نسبت به ماگماي اسيد ميزبان به صورت گلوله هاي كروي يا تخم مرغي قطعه قطعه شده و اختصاصات كاملا پيلولاوائي درآن ظاهر مي شود يعني:

الف- قشر خارجي گلوله ها داراي حاشيه انجماد سريع است.

ب- درمركز آن حفره هاي درشت و هرقدر به حاشيه مي رويم حفره ها كوچكتراست.

ج- درگلوله هاي بزرگ بازيك شكافهاي شعاعي وجود دارند. اين گلوله ها را انكلاوهاي هم منشأ مي گويند . درمحل تماس آن با گدازه ميزبان حالت داندانه اي و انگشتي ظاهر مي شود كه خود نشاندهنده غلظت متفاوت دوماگماست. اين عمل درنتيجه اختلاف درجه حرارت ماگماي بازيك نسبت به ماگماي اسيد حاصل مي شود. يكي از نتايج اين اختلاف درجه حرارت ، حفره دارشدن و پونسي شدن ماگماي ميزبان اسيد درمحل تماس است كه درحول وحوش انكلاوها ديده مي شود. درحاشيه انكلاوها تغييرات شيميايي هم اتفاق مي افتد و دربعضي از موارد هاله اي به ضخامت 1 تا 10 سانتيمتر از موادي كه تركيب آنها حدواسط بين مركز انكلاو و گدازه ميزبان است ديده مي شود.

مرحله دوم: قطعه قطعه شدن انكلاوهاي هم منشأ و ظهور فاسيس امولسيوني:

پس از اختلاط مكانيكي ، انكلاوهاي هم منشأ قطعه قطعه شده و درنتيجه بطوركلي مايع مذاب منظره امولسيوني پيدامي كند.

مرحله سوم: ظهور حالت نواري:

همزمان با قطعه قطعه شدن انكلاوها ، حالت نواري در آنها بوجود مي آيد. نوارها رفته رفته بزرگترشده و از تعداد انكلاوها كاسته مي شود و اختلاف تركيب بخش هاي روشن و تاريك مشخص تر مي گردد. حالت نواري شدن حتي در مقياس ميكروسكوپي هم قابل مشاهده است كه بصورت مناطق روشن و تاريك مانند تاروپود پارچه درهم واردشده اند.

مرحله چهارم: پيدايش حالت همگن (هموژنيزاسيون):

تاقبل ازاين مرحله دربافت سنگ حالت ناهمگني (هتروژن) قابل مشاهده است . ولي تدريجا بافتي يكنواخت و همگن درماگما ظاهر مي شودكه نشانه پايان فرآيند مكانيكي بين دو ماگماست. حالت يكنواختي هنگامي كامل است كه برخورد مكانيكي و انتشار شيميايي توأما عمل نمايند. زيرا با قطعه قطعه شدن ماگماي بازيك ، سطح تماس آن با ماگماي اسيد افزايش مي يابد و انتشار شيميايي با سهولت بيشتري انجام مي شود.

گاهي تمام مراحل فوق را مي توان دريك تشكيلات آتشفشاني ملاحظه نمود ولي دربسياري ازحالات انجماد درمراحل اوليه به پايان مي رسد.

كنترل كاني شناسي:

درمحل برخورد دوماگما مبادله درشت بلورها و سيالات انجام مي شود كه با اختلاط مكانيكي درارتباط است. چون قبل از برخورد دو محيط مذاب ، بخش هايي از آن متبلور گرديده بودند، لذا درمحل برخورد انتقال درشت بلورها دردو جهت متفاوت (ازمحيط اسيد به بازيك و بالعكس) انجام مي شود.

با واردشدن مكانيكي درشت بلورهاي محيط اسيد به محيط بازيك ، باتوجه به شرايط فيزيكي خاصي كه باآن روبرو مي شوند ، شروع به تحليل رفتن مي نمايند وسپس بلور جديدي دراطراف آن رشد و نمو مي يابد (مثلا رشد Plg دراطراف درشت بلور سانيدين بعضي از انكلاوهاي هم منشأ).

باوارد شدن مكانيكي درشت بلورهاي محيط بازيك به محيط اسيد، رشد و نمو آنها متوقف شده و قشري محافظ دراطراف آن بوجود مي آيد (مثلا دراطراف بلورهاي اليوين موجود درداسيت يا تراكيت هاله اي از پيروكسن تشكيل مي شود).

باتوجه به مباحث فوق مي توان گفت دريك ماگماي هيبريدي مي توان سه نسل از كاني ها را تشخيص داد (بازيك ، اسيد ، حدواسط). البته اين امر همواره محقق نمي گردد.

مدلهای مختلف اختلاط

مدل اتاقهاي ماگمايي:

اقسام مختلف بافت ، ترتيب بلورها ، كاني هاي متفاوت و تركيبات ژئوشيميايي متضاد و ناهمگن به نوعي وجود حداقل دوآشيانه ماگمايي دخيل درايجاد ماگماي هيبريدي را به ذهن متبادر مي سازند. گرچه اين امر همواره نيز مصداق ندارد. تنها دليل قطعي كه مي تواند مدل آشيانه هاي ماگمايي مضاعف را به اثبات برساند روشهاي ژئوفيزيكي است.

چنانچه اتاق ماگمايی بصورت يک سيستم بسته عمل کند، ساز و کار اختلاط بدين صورت است که در ديواره های اين اتاق حد جنبشی و شيميايی دارای مقادير يکسانی نيستند: مايع تفريق يافته سبکتر در طول جداره بالا می رود و می تواند قطعاتی از ماگمای مرکزی را حمل کند و در طول صعود اغتشاشی با مايعات کمتر تفريق يافته برای توليد يک ترکيب حدواسط مخلوط شود. اين سازو کار در يک سيستم بسته و در مقياس بزرگ با مايعات مختلف که از همان ماگمای اصلی نشأت گرفته اند صورت می پذيرد و بنابراين هم منشأند.

اگر اتاق ماگمايی به صورت يک سيستم باز عمل کند، می تواند بطور متوالی پر و تغذيه شود. از زمان پرشدگی، عوامل فيزيکی دوسيستمی که بر روی هم قرار گرفته اند با تحول مايعاتی که آنها را تشکيل می دهند تغيير می کند. اگر تواتر پرشدگی اتاق ماگمايی بالا باشد تعادل برقرار نمی شود و ماگماهای مختلف در يک توالی لايه بندی معکوس قرار می گيرند. يعنی قديمی ترين و تفريق يافته ترين ماگما به خاطر سبکتر بودن در بالا و جديدترين و کمتر تفريق يافته ترين ماگما در کف قرار می گيرد.

اگر پديده پرشدگی اتاق به کندی صورت گيرد، تعادل گرمايی می تواند توسط انتشار صورت گيرد و ماگماهای با ترکيب مختلف با هم سرد می شوند. اتاق ماگمايی تا زمانيکه مايعات دارای دانسيته متفاوت هستند از خود لايه بندی نشان می دهند. اگر دو ماگمای مجاور دانسيته يکسان داشته باشند، می توانند مخلوط شده و يک مايع حدواسط توليد کنند.

اگر تواتر پرشدگی ها ضعيف باشد، دومين ماگما می تواند در داخل اتاقی که درآن ماگمای تحول يافته سنگين تر تفريق می يابد وارد شده و به آرامی از داخل ماگمای تفريق يافته بالا رود و در سقف به شدت با آن مخلوط گردد و افقی از ماگمای دو رگه تشکيل دهد.

مدل هاي تعادل وزني اختلاط:

مفهوم تعادل وزنی را می توان اينطور توصيف نمود که مقداری از يک چيز به اضافه باقی مانده آن چيز با تمام آن چيز برابر است. دراين خصوص بررسي نمودارهاي تغييرات عنوان مي شود. اين نمودارها اهميت زيادي در پترولوژي آذرين دارند. معمولا تصوربراين است كه يك سنگ ماگمايي از انجماد مايع باقي مانده و به همراه بلورهايي كه ازقبل درسيال شناور بوده اند بوجود آمده است. اگر اين بلورها نشانگر تمام مواد جامدي باشند كه از يك مايع كم تفريق يافته مشتق شده باشد، ترکيب کلی سنگ در نمودارهای مذکور، به طور طبيعی در امتداد خط نزولی مايع پايين می آيد اما اگر در حين تفريق ماگمايی بلورهای ديگری به آن اضافه شده باشد ترکيب کلی سنگ از خط نزولی مايع منحرف می گردد.

از نمودارهای تغييرات به طور ترسيمی می توان ورود درشت بلورها، بلورهای بيگانه و حجم های ماگمايی را و يا خروج کانی ها ومايعات ممزوج نشدنی را، در واقع ورود و خروج فازها را توضيح داد. به اين ترتيب با بررسی اختلافات شيميايی که در اعضای يک مجموعه سنگی ظاهر می شود، می توان امکان يا عدم امکان اين فرآيند را در موارد گوناگون شرح داد. امروزه در اين خصوص برنامه های کامپيوتری طراحی شده است که اين برنامه های تعادل وزنی مدلی صحيح و دقيق از آلايش و اختلاط ماگمايی ارائه می کنند.

مدل عناصر کمياب:

عناصر کمياب می توانند ثابت کننده وقوع آلايش باشند.به طور کلاسيک نسبتهای بالای Sr87/Sr86  به منبع پوسته ای و اندازه های کوچک اين نسبت به منشأ گوشته ای ماگما مربوط است.  نسبت بالای Sr87/Sr86  در سنگهای آذرين بازيک بيانگر آلودگی آنها است.شايد نسبتهای بالای استرونسيم به تنهايی نتواند دليل موجهی برای اثبات آلايش باشد زيرا همانطور که می دانيم نسبتهای بالای استرونسيم راديوژنيک می تواند به دليل تمرکز محلی روبيديم در گوشته باشد. بنابراين بهتر است از تلفيق نتايج مطالعات ايزوتوپی استرونسيم و اکسيژن در اثبات پديده آلايش استفاده شود. زيرا می توان گفت که نسبتهای بالای ايزوتوپ راديوژنيک اکسيژن در سنگهای آذرين به طور قطع نتيجه آلايش ماگما با مواد رسوبی است. در اين مورد تشخيص اينکه آلايش اتفاق افتاده يا اختلاط ماگماها و يا ذوب يک منشأ مختلط بسيار پيچيده و دشوار است.

نقش اختلاط ماگمايی در فورانهای انفجاری

با شروع اختلاط تفاوتهای بافتی و ژئوشيميايی زياد بوده ولی به تدريج از آن کاسته می شود. ناهمگنی ماکزيمم باعث خاصيت انفجاری تظاهرات آتشفشانی می شود. بر اثر تبادل درجه حرارت، غلظت ماگمای اسيد، کم ولی غلظت ماگمای بازيک زياد می شود. ماگمای بازيک به سرعت سرد و متبلور می شود ولی در ماگمای اسيد برخی از کانی ها شروع به تحليل شدن می کنند. با تبلور ماگمای بازيک فاز سيال جدا و ماگما حباب دار می شود. در ماگمای اسيد نيز ازدياد درجه حرارت، حلاليت گازهای آنرا کاهش می دهد. اگر ماگمای اسيد از بخار آب سرشار باشد، در اين مرحله گازها و بخار آب به سرعت از آن خارج می شوند و بر حجم آن افزوده می شود. اين افزايش حجم با افزايش حجم ناشی از تزريق ماگمای بازيک، حجم آشيانه ماگما را 2تا5 برابر حجم اوليه می رساند و اين امر باعث حالت انفجار می گردد.

پس از اين مرحله ايجاد مخلوط همگن در ماگما صورت می گيرد که مخلوط همگن شروع به تبلور نموده و در نتيجه فاز گازی آن دوباره خارج می شود و حالت انفجاری ديگر رخ می دهد که شدت آن زياد نيست.

هرگاه مواد بازيک از اعماق بطور تدريجی به ماگمای سطحی وارد شوند، ترکيب شيميايی در آشيانه های سطحی بتدريج به طرف حدواسط کشيده می شود. البته بايد توجه داشت که وجود و دخالت آبهای سطحی و زير زمينی ممکن است شدت و مراحل انفجاری را به نحو بارزی تغيير دهد.

بررسی تجربی اختلاط ماگماها

برای درک مفهوم اختلاط و اينکه چگونه در يک اتاق ماگمايی ساده، چنين واکنشهای پيچيده ای صورت می گيرد، آزمايش ساده ای پيشنهاد می شود.

در اين آزمايش از محفظه ای استفاده می شود که در قسمت پايين دريچه ای دارد و از طريق اين دريچه در فشار ثابت مايع وارد سيستم می شود. اين مايع به تدريج به دريچه فوقانی محفظه فشار وارد می کند. دريچه فوقانی به گونه ای تعبيه شده است که قابل قياس با دودکش آتشفشان می باشد.

موادی که برای انجام اين آزمايش به عنوان مايعات مورد بررسی استفاده می شوند به شرح زير است:

1-         از اختلاط آب با  CMCکه يک پليمر طبيعی است، مايعی مذاب گونه بدست می آورند. CMC  باعث افزايش ويسکوزيته می شود، بدون اينکه تأثيری روی چگالی بگذارد و يا می توان گفت تأثير آن روی چگالی قابل اغماض است. بدين ترتيب با تغيير نسبتهای آب به CMC ويسکوزيته دلخواه بدست می آيد.

2-         از اختلاط آب و نمک محلولی بدست می آيد که با استفاده از آن چگالی مايع قابل کنترل می شود. نمک چگالی را با تغيير قابل اغماض روی ويسکوزيته، افزايش می دهد.

در اين حالت با کنترل و تنظيم دلخواه ويسکوزيته و چگالی محلولهای فوق الذکر رفتار ماگماها با ترکيبات مختلف در حين اختلاط شبيه سازی و مورد بررسی قرار می گيرد.