Метаморфизм. Метаморфические горные породы
Метаморфизм – совокупность процессов минеральных и структурно-текстурных преобразований в твёрдом состоянии существующих пород (протолита) под воздействием эндогенных факторов. Метаморфические процессы протекают ниже зоны эпигенеза.
Подчеркнём две важнейшие особенности процессов метаморфизма: 1) протолит в ходе метаморфических изменений сохраняет твердое состояние (т.е. преобразование пород происходит без их плавления, что отличает от магматических процессов и процессов образования мигматитов), и 2) процесс метаморфизма является субизохимическим – валовый химический состав метаморфической породы и породы, за счёт которой она образовалась (протолита), остаются одинаковыми (незначительные его изменения сводятся к частичной потере флюидной фазы), т.е. система является односторонне открытой, теряющей, но не приобретающей вещество извне.
Факторами метаморфизма, приводящими к изменению пород, являются температура, давление и активность флюида.
Температура. Метаморфические трансформации начинаются при температуре около 200°С и продолжаются до плавления пород. Преобразование с частичным плавлением пород называется ультаметаморфизмом, при этом из породы выплавляется наиболее легкоплавкая часть по составу соответствующая гранитной магме. Повышение температуры обусловлено либо геотермическим градиентом при погружении пород, либо внедрением магматических расплавов или горячих флюидов.
Давление. Различают литостатическое (вызванное весом вышележащих пород), флюидное и стрессовое давления. Стрессовое (или боковое) давление, связанное с тектоническими движениями, определяет наличие градиента давлений в земной коре, что приводит к перемещению потоков флюидов из областей более высокого давления в области более низкого. Эти флюидные потоки являются главным переносчиком тепла, а многих химических элементов. Обычно при метаморфических процессах перечисленные виды давления проявляющиеся совместно.
Активность флюида. Наличие флюидной фазы в значительной степени определяет общее давление в метаморфической системе, характер деформации пород, теплоперенос, транспортировку веществ при химических реакциях. Более того, значительную роль играет не только количество, но и состав флюида. В первую очередь химический состав флюида влияет на изменение Р-Т условий метаморфических реакций. Так при повышенной доли СО2 во флюидной фазе начало многих метаморфических реакций смещаются в сторону более низких температур.
Метаморфические реакции
Метаморфизм – это физико-химический процесс. Главная тенденция метаморфических процессов – приведение горных пород к равновесному состоянию при изменении физико-химических условий. Изменение интенсивности влияния факторов метаморфизма приводит к тому, что минеральные ассоциации, слагающие горную породу, становятся неустойчивы (не могут существовать при таких условиях). Начинается процесс химического разложения минералов в твёрдом состоянии и, одновременно, процесс образования за счёт них новых минеральных ассоциаций, способных стабильно существовать в новых термодинамических условиях. Этот процесс можно описать следующей схемой:
1. высвобождение атомов из кристаллических решёток неустойчивых минералов,
2. образование центров кристаллизации стабильных минералов,
3. движение атомов к этим центрам,
4. удаление из мест реакции атомов, не вошедших в состав новообразующихся минералов.
Метаморфическую систему можно сопоставить с конструктором, из набора деталей которого (химических элементов) в зависимости от условий собираются разные конструкции (минеральные ассоциации). Такие трансформации могут происходить неоднократно.
Метаморфические реакции разделяются на два главных типа.
Реакции «дегазации», описываемые схемой минерал = минерал + газ, при которых происходит удаление обладающих высокой подвижностью летучих компонентов. Примером такой реакции служит выделение воды при разложении биотита:
| 2K(Fe,Mg)3[AlSi3O10](OH)2 | + 6SiO2 | = | 2K[AlSi3O8] | + 3(Fe,Mg)2[Si2O6] | + 2H2O |
| биотит | кварц | полевой шпат | гиперстен |
Иногда, если при метаморфизме происходит замена более высокотемпературных безводных минералов на более низкотемпературные, реакции могут иметь обратную направленность и сопровождаться гидратацией.
Реакции минерал - минерал, приводящие к замене одних минералов на другие. При этом реакции могут протекать как между разными минералами, так и приводить к полиморфным превращениям. Примером первого из названных видов реакций служит приведённое выше образование калиевого полевого шпата и гиперстена за счёт реакции биотит + кварц. Примером второго – превращения в ряду андалузит-силлиманит-кианит; эти минералы имеют один и тот же состав Al2SiO5, но различаются по строению кристаллических решёток и образуются в процессе метаморфизма при различных Р-Т условиях.
Типы метаморфизма
В зависимости от масштабов проявления метаморфизма его принято разделять на региональный и локальный.
Контактовый метаморфизм связан с воздействием теплового потока магматических расплавов и сопровождающих их флюидных потоков на вмещающие породы земной коры. Масштабы контактового воздействия на породы зависят в первую очередь от состава, объёмов и температуры магматического тела. Экзоконтактовые зоны небольших даек, силлов и лавовых потоков имеют ширину от миллиметров до нескольких метров, при этом в них не отмечается значительного преобразования вмещающих пород (иногда ограничивающегося лишь дегидратацией минералов). Вокруг крупных интрузивов ширина экзоконтактовых ореолов достигает эначительно больших масштабов - до сотен метров и километров. Наиболее мощные экзоконтактовые зоны окружают крупные гранитоидные интрузивы, что связано с насыщенностью последних флюидами. Отделяясь от магматического расплава, они проникают в толщи вмещающих пород, приводя к их разогреву. Степень преобразования пород экзоконтактовый зоны снижается по мере удаления от интрузива: минеральные ассоциации, состоящие из высокотемпературных минералов, располагаются вблизи интрузива, низкотемпературные ассоциации – на периферии контактовой зоны. Необходимо добавить, что форма контактовых ореолов и выделяемых внутри них зон, обличающихся минеральными ассоциациями, имеют сложные очертания, что связано с различной флюидопроницаемостью толщи (максимальной в области трещин и разломов) и составом пород.
Динамический (или дислокационный) метаморфизм протекает в условиях значительного стрессового давления и связан с зонами тектонических разломов, где происходит дробление, деформация и перекристаллизация пород.
Региональный метаморфизм, в отличие от предыдущих типов, охватывает обширные площади. Достижение термодинамических условий, необходимых для начала метаморфизма, может достигаться двумя путями. Первый путь связан с прогибанием территории и погружением пород на значительную глубину, где высокая температура достигается за счёт геотермического градиента, а давление – за счёт веса вышележащих пород. Такой тип регионального метаморфизма называют метаморфизмом погружения. Изучение глубокопогружённых толщ указывает, что при таком механизме осуществляются лишь низкотемпературные метаморфические преобразования, соответствующие начальным этапам метаморфизма. Процессы глубокого метаморфического преобразования протекают только при воздействии на погружённые породы горячих глубинных флюидов, поступающих из мантии при активизации эндогенных процессов на данной территории (динамотермальный метаморфизм в понимании О.В. Япаскурта).
Фации метаморфизма
Вещественным отражением степени преобразования пород в процессе метаморфизма являются минеральные парагенезисы – одновременно кристаллизующиеся минералы, стабильно сосуществующие при данных условиях метаморфизма. Изучение метаморфических парагенезисов позволило разработать учение о метаморфических фациях, основы которого заложены П. Эскола в 1920 г.
Метаморфическая фация – совокупность горных пород, претерпевших метаморфизм в близких термодинамических условиях и вследствие этого обладающих типичными для данных условий стабильными парагенезисами минералов . На границах фаций протекают минеральные преобразования, отражающие смену одних парагенезисов на другие, устойчивые в новых термодинамических условиях. Учитывая это, приведём ещё одно определение, данное Н.Л. Добрецовым: «Метаморфическая фация – Р-Т область метаморфизма, ограниченная линиями нескольких наиболее важных реакций».
Все породы с одинаковым валовым химическим составом в условиях одной фации представлены одной и той же фации представлены одной и той же ассоциацией минералов. Это правило объясняет конвергенцию составов при метаморфизме.
Схема выделения фаций и соответствующие им термодинамические условия приведены на следующем рисунке.
Приведённые фации можно разделить на две главные группы: фации контактового метаморфизма и фации регионального метаморфйизма.
Фации контактового метаморфизма соответствуют фациям низкого давления – высоких температур, такие термодинамические параметры достигаются в условиях контактового метаморфизма. Типичным породами контактового метаморфизма являются роговики, что и определило название фаций: альбит-эпидот-роговиковая - роговообманково-роговиковая - пироксен-роговиковая, а также санидиновая (характерна для включений в лавах и контактовых зонах «сухих» горячих интрузивов).
Фации регионального метаморфизма формируются в условиях пропорционального изменения температуры и давления. К ним относятся следующие.
Пренит-пумпеллиитиовая (стадия филлитов). Начальный региональный метаморфизм. Характерные минералы: серицит, тальк, хлорит, серпентин, кварц. Типичные породы – «зеленокаменные породы» (слабо метаморфизованные базальтоиды, андезиты, габбро), филлиты (слабо метаморфизованные глинистые сланцы, алевролиты), тальк-хлоритовые сланцы (слабо метаморфизованные ультраосновные породы), кристаллические известняки и пр. Для таких пород характерны мелкие размеры кристаллов минералов (до 0,1-0,25 мм), наличие реликтовых признаков первичных пород.
Фация зелёных сланцев. Соответствует региональному метаморфизму низкой ступени. Характеризуется наличием низкотемпературных гидроксилсодержащих минералов (хлорит, тальк и пр.), плагиоклазы представлены альбитом. Может присутствовать амфибол с крайне низким содержанием алюминия (тремолит; рассматривается как типоморфный минерал этой фации). Критической реакцией, отражающей переход к эпидот-амфиболитовой фации, может служить:
кальцит + хлорит + кварц = актинолит + эпидот + Н2О + СО2
Переходя к рассмотрению более высокотемпературных фаций нужно отметить, что их образование происходит при участии глубинных флюидных потоков.
Эпидот-амфиболитовая фация. Хлорит – «запрещённый» (не встречающийся в таких условиях) минерал. Для этой фации типичны обыкновенная роговая обманка, эпидот, гранат, олигоклаз, слюды. Типичные породы – сланцы и гнейсы, эпидотовые (эпидот-роговообманковые) амфиболиты. Не всегда без детальных исследований особенностей минерального состава можно разделить ассоциации эпидот-амфиболитовой и амфиболитовой фаций, поскольку широко распространённая ассоциация кварц + калиевый полевой шпат + плагиоклаз + слюды устойчива в пределах обеих фаций (в силу этого в некоторых классификациях эпидот-амфиболитовая фация не выделяется).
Амфиболитовая фация. Критическими минералами служат обыкновенная роговая обманка и плагиоклаз; обычно присутствуют мусковит, биотит, кварц, калиевый полевой шпат, андалузит, силлимонит. Типичные породы – слюдяные гнейсы и сланцы, амфиболовые гнейсы, роговообманковые амфиболиты, мраморы. В высокотемпературной зоне происходит частичное плавление с образованием мигматитов – пород, образующихся в условиях частичного плавления и вследствие этого состоящих из нерасплавленного субстрата и кристаллизовавшегося в виде полос или линз гранитоидного расплава.
Гранулитовая фация. Характерной особенностью является отсутствие гидоксилсодержащие минералы – исчезают роговая обманка, слюды (например, в соответствии с реакцией биотит = гиперстен + калиевый полевой шпат + Н2О). Характерные минералы: пироксены, кварц, гранат, полевые шпаты. Типичные породы – пироксеновые гнейсы, гранулиты.
Эклогитовая фация. Высокие температура и давление, соответствующие этой фации, достигаются в условиях нижней коры и верхних частей мантии. Типичная порода – эклогит (состоит из пироксена и граната). Часто рассматриваемся как продукт метаморфизма погруженной в процессе субдукции океанической коры.
Породы специфичной фации глаукофановых сланцев трассируют зоны высоких стрессовых давление и относительно низких температур в земной коре, такие условия достигаются в зонах столкновения плит (и рассматриваются как индикаторы зон субдукции). Характерные минералы – глаукофан (Na амфибол) и лавсонит (+ гранат, пироксен). Исходя из приуроченности к областям стрессовых давлений, некоторыми авторами она рассматривается как фация специфичного типа динамического метаморфизма.
В зависимости от направленности смены фаций разделяют прогрессивный и регрессивный метаморфизм. Прогрессивный метаморфизм протекает в условиях повышения температуры и давления и приводит к смене более низкотемпературных парагенезисов на более высокотемпературные. Регрессивный, напротив, приводит с замене высокотемпературных парагенезисов на более низкотемпературные.