Особенности метаморфического образования минералов.
Метаморфизм. Понятие, факторы и зоны метаморфизма. Особенность минералообразования при метаморфизме. Характерные черты минерального состава и строения метаморфических пород. Типы метаморфизма и их особенности.
Метаморфизм – совокупность процессов минеральных и сруктурно-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),
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.
Факторы метаморфизма.
Температура. Источниками тепла в земной коре являются распад радиоактивных элементов; магматические расплавы, которые, остывая, отдают тепло окружающим горным породам; нагретые глубинные флюиды; тектонические процессы и ряд других факторов. Геотермический градиент, т.е. количество градусов на 1 км глубины, меняется от места к месту на земном шаре и разница может составлять почти 100o С. В пределах устойчивых, жестких блоков земной коры, например на щитах древних платформ, геотермический градиент не превышает 6-10o С, в то время как в молодых растущих горных сооружениях может достигать почти 100o С. Температура резко ускоряет протекание химических реакций, способствует перекристаллизации вещества, сильно влияет на процессы минералообразования. Возрастание температуры приводит к обезвоживанию (дегидратации) минералов, формированию более высокотемпературных минеральных ассоциаций, лишенных воды, декарбонатизации известняков и т. д. Обычно метаморфические преобразования начинаются при Т выше 300o С, а прекращаются, когда Т достигает точки плавления развитых в данном месте горных пород.
Давление подразделяется на всестороннее (литостатическое), обусловленное массой вышележащих горных пород, и стрессовое, или одностороннее, связанное с тектоническими направленными движениями. Всестороннее литостатическое давление связано не только с глубиной, но также и с плотностью пород, и на глубине 10 км может превышать 200 мПа, а на глубине 30 км - 600-700 мПа. При геотермическом градиенте в 25 град/км плавление горных пород может начаться на глубине около 20 км. При высоких давлениях породы переходят в пластичное состояние- Одностороннее стрессовое давление лучше всего проявляется в верхней части земной коры складчатых зон и выражается в образовании определенных структурно-текстурных особенностей породы и специфических стресс-минералов, таких, как глаукофан, дистен и др. Стрессовое давление вызывает механические деформации горных пород, их дробление, рассланцевание, увеличение растворимости минералов в направлении давления. В подобные милонитизированные зоны проникают флюиды, под воздействием которых породы испытывают перекристаллизацию.
Флюиды, к которым относятся H2O, CO2, CO, CH4, H2, H2S, SO2 и другие переносят тепло, растворяют минералы горных пород, переносят химические элементы, активно участвуют в химических реакциях и играют роль катализаторов. Значение флюидов иллюстрируется тем, что в <сухих системах>, т. с. лишенных флюидов, даже при наличии высоких давлений и температур метаморфические изменения почти не происходят.
Виды метаморфизма
Различают следующие виды метаморфизма: контактовый и динамометаморфизм.
Контактовый метаморфизм представляет собой изменения, которые происходят в горных породах вблизи или на контакте с магматическими интрузиями или горячими растворами и газами , или непосредственно на контакте. Сильнее всего этот вид метаморфизма проявляется на контакте и постепенно затухает с удалением от него.
Максимальный радиус действия контактового метаморфизма 2-5 км. В непосредственной зоне контакта горных пород с интрузией формируется область обжига пород. Породы здесь спекаются и уплотняются. Температура в зоне контакта достигает величин 500-900 градусов. Важную роль в процессе контактового метаморфизма играет явление метасоматоза- принос и вынос горячих и холодных гидротермальных растворов в контактирующие с магмой горные породы. Наряду с горячими растворами в горную породу по трещинам и порам могут проникать и горячие газы, под действием высоких пластовых давлений. Растворы и газы вступают в химические реакции с горными породами, и возникают новые минералы. Например, андалузит, характерный минерал контактового метаморфизма, образуется следующим путем.
Метасоматоз зачастую происходит и при низких температурах и давлениях, и постмагматические растворы воздействуют как на вмещающие породы, так и на интрузивные.
В зоне контакта кислых интрузий с карбонатными породами формируются скарны. Процесс возникновения нового минерала в зоне скарна ,например, кальцита, выражен реакцией взаимодействия карбоната и кремнекислоты.В результате образуется минерал волластонит.
При контактовом метаморфизме глины переходят в роговики, песчаники – в кварциты, известняки – в мраморы, - угли и антрациты.
При гидротермальном метаморфизме полевые шпаты преобразуются в глинистые минералы или мусковит, оливин – в серпентинит и тальк, биотит – в хлорит и серпентинит. В зоне контактового метаморфизма формируются богатые месторождения полезных ископаемых: цинка, свинца, меди, олова, вольфрама, молибдена и других.
Динамометаморфизм заключается в преобразовании пород в результате процессов горообразования. В районах проявления тектонических движений огромные объемы горных пород перемещаются ( сверху вниз и снизу вверх и по горизонтали), попадают в глубокие зоны Земли с высокими температурами, давлениями и активной циркуляцией глубинных растворов. Динамометаморфизм зачастую называют региональным метаморфизмом, так как он затрагивает территории большой ширины и протяженности.
В общем виде метаморфизм подразделяется на региональный и локальный.
При региональном метаморфизме изменению подвергаются огромные массивы горных пород( к примеру, горно-складчатые пояса и области). Опускаясь на большие глубины и испытывая там воздействие температур, давлений и циркулирующих флюидов, целые массивы горных пород на огромных площадях перекристаллизовываются и превращаются в метаморфические.
На территориях с региональным метаморфизмом выделяют 3 зоны:
Зона эпиметаморфизма характеризуется умеренной температурой и относительно низким давлением. Здесь обычно действует одностороннее боковое давление, именуемое стрессом. Породы здесь разбиты трещинами, иногда катаклазированы, имеют брекчиевидную и сланцеватую текстуры. Температуры в этой зоне не превышают 366°, т. е. критической температуры воды, поэтому здесь образуются минералы, содержащие гидроксильную группу (ОН), водные силикаты и т.п. В этой зоне глины превращаются в филлиты, песчаники в кварциты, известняки в мрамор. Очень характерны хлоритовые, серицитовые, тальковые и слюдистые сланцы, часто образующиеся при метаморфизме глинистых и вулканогенных пород.
Для зоны метаморфизма очень характерно возникновение таких минералов, как хлорит, кварц, серицит, цеолиты, карбонаты; при тех же температурах, но при несколько большем давлении образуются: мусковит, эпидот, альбит, роговая обманка, биотит, актинолит, кварц, микроклин и др.
Зона мезометаморфизма характеризуется более высокими температурами, иногда исключительно сильным боковым и гидростатическим давлением. Текстура метаморфических пород этой зоны сланцеватая и гнейсовая. Образуются здесь главным образом безводные минералы - в большом количестве силикаты; окись кремния (SiO2) в условиях этой зоны очень активна и входит в состав вновь образующихся минералов.
В кремнистых известняках возникает очень характерный для этой зоны минерал волластонит: CaCO3 + SiO2 ---> CaSiO3 + CO2
Зоне мезометаморфизма свойственны такие породы, как гранато-слюдистые, роговообманковые сланцы, кварц-полевошпатовые гнейсы, графиты. Из минеральных ассоциаций характерны: 1) гранат, диопсид, эпидот, кварц, актинолит, силлиманит, 2) гранат, роговая обманка, волластонит; 3) плагиоклазы, мусковит, диопсид, актинолит и др.
Глинистые и кварцевые породы в этой зоне превращаются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые интрузивные породы - в гнейсы, а основные породы - в амфиболиты.
Зона катаметаморфизма характеризуется высокой температурой ( более 3000) и большим гидростатическим давлением; боковое давление отсутствует. Степень изменения породы бывает настолько велика, что распознать исходный материал часто не удается. При этом изменяется текстура, структура и состав пород. Очень характерны для этой зоны кристаллические сланцы и гнейсы, например гиперстено-плагиоклазовые, а также эклогиты - породы, состоящие из оливина, граната, небольшого количества кварца и других минералов. Эти породы образовались, по-видимому, при метаморфизме пород основной магмы.
Из минеральных ассоциаций для зоны катаметаморфизма характерны ассоциации высокотемпературных минералов: гиперстен , плагиоклаз, оливин, гранат, кварц, силлиманит; присутствуют кордиерит, волластонит, корунд и др. Образование алмазов происходит, по-видимому, также в условиях зоны катаметаморфизма.
Таким образом, каждая зона метаморфизма характеризуется наличием определенных ассоциаций минералов, образование которых обусловлено наличием определенной температуры и давления.
Локальный метаморфизм , по сравнению с региональным, затрагивает незначительные по размерам территории. Такой тип метаморфизмы чаще обусловлен воздействием на окружающие породы поднятием магмы( интрузии), местной циркуляцией флюидов (гидротермальных растворов и газа), а также проявлением тектонических дислокаций. В горноскладчатых районах в приконтактных зонах разломов формируется область раздробления горных пород ( явление катаклаза). Так как процесс дробления пород сравнительно продолжительный, то очевидно, о высоких температурах здесь говорить не следует. Если и сопровождался процесс дробления высокой температурой, то в очень незначительный временной интервал. В таких «холодных» температурных условиях образуются минералы – хлорит, серицит, тальк и др.
Выделяют еще один вид динамометаморфизма– ударный, возникающий при падении метеоритов на Землю. При ударе метеорита о Землю выделяется огромная динамическая энергия. В месте удара метеорита о поверхность Земли проявляется значительное давление и температура, образуется метеоритный кратер (астроблемы). Породы в кратере дробятся , плавятся и выбрасываются на поверхность. Метеориты падали на Землю всегда, следы падения их известны на континентах и в океане (на дне океанов), подсчитано более 200 кратеров на континентах.
МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ФАЦИИ
Породы, образовавшиеся в результате регионального и контактового метаморфизма, подразделяются на факции. Основу факции составляет группа минералов, сформировавшихся при определенных условиях, которые носят название ступеней метаморфизма. Выделяют 3 ступени метаморфизма: низкую, среднюю и высокую.Низкая ступень метаморфизма (температуры 300-500 градусов Цельсия, начальная ступень метаморфизма) характерна для цеолитовой фации, фации голубых и зеленых сланцев.
Цеолитовая фация. Начальная стадия метаморфизма, которая начинается сразу после образования из осадка горной породы. В эту стадию метаморфизма в процессе преобразования горной породы температура и давление еще низкие, развиваются в основном низкотемпературные водные минералы – цеолиты. При повышении температуры процесса преобладают фации голубых сланцев, а при более высоких температурах и давлении проявляются факции зеленых сланцев.
Зеленосланцевая фация. При низкой степени динамометаморфизма в условиях регионального метаморфизма в большом количестве образуются породы зеленосланцевой фации: зеленые хлориты и эпидоты совместно с кварцем, кальцитом, альбитом и мусковитом. Иногда в них встречается роговая обманка. Формируются зеленые сланцы по базальтам и их туфам. Зеленый цвет сланцам придают зеленые кристаллы хлоритов, роговой обманки и эпидота. В зависимости от преобладания того или иного минерала выделяют комплексы пород зеленых сланцев: хлорит – кальцит - кварц; кварц – альбит- мусковит и др. Зеленые сланцы в большом количестве встречаются в отложениях палеозоя мезозоя на Кавказе, в Карпатах, Тянь-Шане, Урале и других местах.
Фация голубых сланцев. Голубой цвет сланцев обусловлен наличием голубого амфибола. Для его образования необходимы высокие давления процесса метаморфизма и сравнительно невысокие температуры. С увеличение температуры фация голубых сланцев может постепенно смениться амфиболитовой. Гранулитовой или эклогитовой фацией. Для пород регионального метаморфизма характерны следующие фации: фация зеленых сланцев, амфиболитовая, гранулитовая и эклогиты
Амфиболитовая фация. При высоких температурах и давлении минералы хлорита начинают преобразовываться в биотит, которому сопутствуют мелкие кристаллики граната. В результате, образуется гранатовый кварц – биотитовый сланец. Это метаморфическая порода, возникающая по температурным условиям и давлению сразу после фации зеленых сланцев.
Гранулитовая фация. Представляет метаморфическую породу среднезернистой до крупнозернистой структуры, состоящую в основном из калиевого полевого шпата, натриевого плагиоклаза и, возможно, одного или двух метаморфических алюмосиликатов. Гранулиты похожи на граниты или гнейсы, но так как в них нет слюды, то они не рассланцованы. Обычно зерна в этих породах равного размера и прорастают друг в друга. Породы гранулитовой фации образовались при высоких температурах (700-800 градусов Цельсия) и значительных давлениях (от 2 до 10 кБар). Чаще они встречаются на древних щитах (Балтийском, Украинском, Алданском, а также выходах протерозойских и палеозойских образований в Южной Сибири, на Тянь-Шане и на Южном Урале. Для гранулитовой фации характерной является метаморфическая порода эклогит, очень плотная и лишенная воды.
Эклогит – это порода, состоящая в основном из пироксена и граната. По химическому составу она одинакова с базальтом. Эклогиты образуются при высоких температурах метаморфического процесса (800-1000 градусов Целься). Часто эклогиты встречаются в виде включений в базальтах. Это свидетельствует о едином источнике их образования. Разница заключается в температуре их кристаллизации и застывания.
Особенности метаморфического образования минералов.
При метаморфизме минералы растут в твердой среде плотной горной породы. Каждое минеральное зерно заключено среди других таких же зерен, мешающих его развитию. Различные минералы обладают разной «кристаллизационной силой». Некоторые расталкивают при росте окружающие их зерна, принимая более или менее правильную форму, другие, разрастаясь, обволакивают соседние минералы, заполняют промежутки между ними. Минералы, образующие при метаморфизме правильные формы, называют идиобластическими, не обладающие этой тенденцией — ксенобластическими. Наиболее типичные для метаморфических пород минералы по степени уменьшения идиобластичности располагаются в следующий ряд: рутил, сфен, магнетит, турмалин, гранат, кианит, ставролит, андалузит, эпидот, цоизит, пироксены, амфиболы, волластонит, слюды, хлориты, тальк, доломит, кальцит, скаполит, кордиерит, полевые шпаты, кварц (по X. Вильямсу и др.). В большинстве метаморфических пород минералы срастаются по неровным, часто зазубренным поверхностям, образуя заливообразные взаимопроникающие выступы и т. п. Такой тип срастаний называют бластическим (от греч. blastos — росток). Возникающие при этом структуры называются кристаллобластическими. Если метаморфическая порода состоит из таких минералов, как кварц, полевой шпат, кальцит, гранат и другие, имеющих форму зерен, структура называется гранобластовой (от лат. granum — зерно). Если главными составляющими являются слюды, тальк, хлорит и другие минералы, имеющие форму чешуек, пластинок, листочков, то структуру называют лепидобластовой (от греч. lерidos — чешуя). Породы, состоящие из зерен и из чешуек различных минералов, относятся к смешанным типам метаморфических структур — лепидогранобластовой и др.
Минеральные зерна при росте во время метаморфизма укрупняются, крупные кристаллы увеличиваются, используя материал мелких, которые в конечном счете исчезают. Это объясняется известным законом кристаллохимии: наиболее устойчивым состоянием кристаллического вещества является такое, когда при определенной массе оно имеет наименьшую поверхность. Одновременно с ростом минералов происходит метаморфическая дифференциация, заключающаяся в переотложении минеральных компонентов с мономинеральными обособлениями. Этот процесс тесно связан с тектонической подготовленностью отдельных участков метаморфизуемых толщ и проявляется там, где породы «разрыхлены», гранулированы, доступны для интенсивной циркуляции растворов, осуществляющих растворение, перенос и новообразование минеральных компонентов.
Когда рост минералов при метаморфизме происходит в условиях стресса, возникает хорошо известная кристаллизационная сланцеватость, выражающаяся в субпараллельной ориентировке минеральных зерен в направлении, перпендикулярном к наибольшему напряжению.
Рост гранобластовых зерен в условиях стресса контролируется правилом, известным под названием принципа Рикке, согласно которому вещество при одностороннем давлении имеет пониженную растворимость в направлении, перпендикулярном к данному давлению, причем снижение растворимости пропорционально квадрату напряжения: