Химический состав метаморфических пород

В зону метаморфизма попадают изверженные и осадочные породы. Поэтому метаморфические породы по химическому составу изменчивы, особенно в зонах действия метасоматоза.

Генетически метаморфические породы подразделяются на две большие группы. К первой группе относятся контактово-метаморфические образования, возникающие в результате изменения различных толщ под влиянием интрузивных или иных изверженных пород. Вторая группа пород (кристаллические сланцы и гнейсы) образуются в результате реакций, протекающих в условиях значи­тельных температур и давлений. Основными разновидностями метаморфических пород являются гнейсы, слюдяные сланцы, хлоритовые сланцы, тальковые сланцы, филлиты, эклогиты, серпентиниты, кварциты и др.

Природу первичной породы, оказавшейся в зоне метаморфизма, можно определить по химическому составу. Состав осадочных пород колеблется в значительно больших пределах, чем изверженных. Эта особенность помогает выявлять метаморфизированные эквиваленты осадочных пород, которые удерживают много алюминия, кремния, калия больше натрия, а магния больше кальция.

Метаморфизм может приводить к сглаживанию различий в химическом составе пород. Примером могут служить монотонные докембрийские гнейсы. Перекристаллизация может привести к выделению линз, прослоек со специфическим минеральным и химическим составом, что определяется как метаморфическая дифференциация вещества. При изохимическом метаморфизме валовой химический состав горных пород практически остается постоянным.

Активизация аллохимического метаморфизма приводит к изменению первоначального химического состава породы, что связано с привносом или выносом элементов в газовой или жидкой фазе. Диффузия вещества в твердом теле определяется кинетической энергией ионов и наличием дефектов в кристалле. Она протекает при повышении температуры, увеличивает кинетическую энергию иона и степень беспорядка. Это происходит при средне- и высоко­температурном метаморфизме (420–720 °С).

Глауконитовый сланец и хлоритоидный филлит выделяются повышенным содержанием водорода. Для кварцита характерно минимальное содержание Na, Ti, Fe²⁺, Fe³⁺, Mg и Al; высокое содержание Al и Fe³⁺ в хлоритоидном филлите. Очень мало калия содержит зеленый сланец. Диабаз выделяется высоким содержанием марганца, а эклогит – Mg и Са(см. табл. 11).

Таблица 11

Состав метаморфических пород, атомных %

Компоненты	Диабаз	Эссексит–роговик	Амфиболит	Эпидото-вый амфиболит	Зеленый сланец	Норит–грану лит	Эклогит	Глауко-фановый сланец	Кремнистый сланец	Кварцит	Биотито-вый гнейс	Хлорито-идный филлит
Н	1,34	1,31	2,54	1,67	7,04	0,87	2,54	12,42	3,96	1,39	3,75	11,43
O	60,16	60,29	59,52	59,96	57,62	60,71	58,86	55,68	62,38	65,23	61,13	56,47
Na	1,91	2,45	2,06	3,34	3,00	1,49	1,69	2,19	1,37	0,04	2,79	1,33
Mg	2,99	3,09	4,41	3,49	4,02	3,76	6,35	2,47	0,73	0,08	0,62	0,55
Al	5,04	6,16	6,70	7,10	7,26	6,93	6,05	7,01	4,15	0,63	6,50	12,35
Si	18,32	17,95	17,63	18,34	16,35	18,67	16,43	14,72	24,62	30,80	22,50	11,32
P	0,10	–	0,03	–	–	0,02	–	0,01	–	–	–	0,06
К	0,65	0,37	0,28	0,17	0,04	0,55	0,68	0,75	0,46	0,83	0,99	0,77
Ca	3,45	3,35	3,89	3,19	2,54	3,37	4,44	2,62	0,20	–	0,67	0,13
Ti	0,68	0,82	0,15	0,10	0,05	0,61	0,07	0,29	0,04	0,03	–	0,82
Mn	0,14	0,03	0,06	0,02	0,03	0,05	–	0,02	–	–	–	–
Fe2+	44,12	2,52	2,36	1,45	1,49	2,75	1,72	0,77	0,24	0,06	0,54	2,29
Fe3+	1,11	1,65	0,65	1,15	0,55	0,22	1,17	1,07	1,86	0,90	0,51	2,49

Метаморфизм минералов

Значительная изменчивость химического состава метаморфических горных пород не приводит к усложнению их минералогии. Это объясняется устойчивостью некоторых распространенных минералов в широком интервале температур и давлений. Из силикатов для метаморфических пород наиболее характерны цепочечные и слоистые. Их образованию способствует повышенное давление, а структуры допускают замещение одних атомов другими, поэтому они могут формироваться в широких пределах валового состава пород.

Из островных силикатов характерны минералы группы граната и эпидота. Из-за ажурности структуры многие каркасные силикаты неустойчивы в условиях метаморфизма.

Химический состав минерала зависит от степени его метаморфизма. Приведем несколько примеров.

1. Состав плагиоклаза определяется конкретными термодинамическими условиями и при повышении степени метаморфизма изменяется текстура альбита через смеси Ca–Na-плагиоклазов до анортита.

2. В. В. Закруткин (1968) изучил 400 образцов биотитов из амфиболитовой и гранулитовой фаций различных регионов Земли. Результаты его исследований с использованием математической статистики свидетельствуют о большой разнице в составе биотитов различной степени метаморфизма. Это обусловлено различными концентрациями элементов во вмещающих породах и степенью метаморфизма биотита. При его повышении в биотитах увеличивается содержание K, Al (VI), Ti, (Fe, Mg), но понижается количество Na, Al (IV), Fe³⁺,(OH). При этом изменения величины некоторых элементов стабильны и могут служить критерием для определения степени метаморфизма биотита по содержанию K, Al (VI), Ti.

3. Амфиболы подобны губке, которая может поглощать разнообразные ионы. Это приводит к образованию разновидностей этого минерала, присущих каждой метаморфической фации: а) актинолит – фация зеленых сланцев; б) роговая обманка с примесью эденитовой молекулы – эпидот-амфиболитовая фация; в) обыкновенная роговая обманка – амфиболитовая фация; г) гистингсит – гранулитовая фация.

Общая тенденция эволюции амфиболов при повышении степени метаморфизма заключается в замещении кремния алюминием. Другие превращения выполняют роль компенсационного изоморфизма (Si⁴⁺ → Al³⁺). Изоморфизм по схеме: Si⁴⁺, Mg²⁺ → 2Al³⁺, Si⁴⁺ → Al³⁺, (K⁺), Na⁺ – влечет за собой повышение щелочей и понижение количества двухвалентных металлов с координацией шесть. Химизм амфиболов при повышении степени метаморфизма проявляется в повышении количества K, Na, Al, Ti и в понижении Si, (Mg, Fe), (OH), Fe³⁺. Изменения химизма амфиболов стабильны и позволяют определять термодинамическую обстановку по концентрациям ряда элементов.

Аналогично ведут себя и другие породообразующие минералы: гранаты, калиевые полевые шпаты, кальцит и др. Приспосабливаемость химизма минералов к меняющимся термодинамическим условиям наиболее ярко проявляется в минералах сложного химического состава (слюды, амфиболы, гранаты, полевые шпаты), устойчивых в широком интервале температур и давлений.

В метаморфических породах ведущие элементы земной коры Si, Al, Fe, Mg, Na, K, Ti меняют свои концентрации в минералах в зависимости от температур и давлений.

В минералах изменяется также содержание многих редких элементов, что ведет к общему геохимическому эффекту. Редкие элементы изменяют при метаморфизме свои концентрации в следующих минералах: плагиоклазах (Ba, Sr, Rb), биотитах (Ge, Y, Mn), гранатах (Ge, Y, Mn), пироксенах (Ti, Al).

Степень насыщенности минералов теми или иными элементами неодинакова. Наименьшей способностью концентрировать редкие элементы характеризуется кварц. Цветные минералы насыщены им в значительно большей степени. Магнетит обладает максимальной способностью концентрировать редкие элементы с малыми и средними ионными радиусами.

Прогрессивный метаморфизм приводит к дегидратации пород. Движение водных растворов всегда восходящее. Следовательно, выносятся Si, H, K, Na, O и другие элементы из областей высокой степени метаморфизма в области пониженных температур и давлений.

В результате региональных метаморфических процессов происходит геохимическая дифференциация вещества литосферы: нижние горизонты обедняются Si, K, H, O, Na и относительно обогащаются малоподвижными элементами Mg, Fe, Ti, Al. В геохимической дифференциации большую роль играет палингенез – образование регенерированных пород путем регионального переплавления и анатексис – расплавление твердых горных пород и их превращение в магму. Возникающие при ультраметаморфизме расплавы гранитного состава поднимаются в верхние коровые горизонты и приводят к миграции легких гранитофильных элементов.

Рис. 17. Схема метаморфических фаций (по Дж. Розенквисту, 1952)

Представить планетарные масштабы роли метаморфизма в дифференциации вещества земной коры можно, если учесть данные по пространственному расположению геоизотерм и геоизобар, которые соответствуют давлениям и температурам начала гранитизации, палингенеза и анатексиса. Схематически это можно представить диаграммой Дж. Розенквиста (рис. 17).

Рис. 17. Схема метаморфических фаций (по Дж. Розенквисту, 1952)

Температурная область возможных анатексических расплавов распространена в земной коре повсеместно, глубина залегания ее верхней границы варьирует от 5,5 до 55 км. Отсюда следует, что метаморфизм является одним из звеньев общепланетарных геохимических циклов.

Метаморфизм изучает петрология, однако исследование геохимических процесов, химических реакций в системе порода-вода при высоких температуре и давлении предполагает активное участие специалистов в области геохимии. В ходе метаморфизма породы частично подвергаются изменению химического состава. Например, серпентиниты, тальк-карбонатные породы по валовому химическому составу отличаются от исходных пород. В них повышено содержание кремния, алюминия.

Геохимия метаморфических пород изучена недостаточно по сравнению с геохимией магматических и осадочных пород, так как метаморфические породы практически не выходят на поверхность, а глубокое бурение пока ограничено первым десятком километров.