Основные типы метаморфизма
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.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МЕТАМОРФИЗМА
В общем виде метаморфизм подразделяется на
1. региональный
В первом случае метаморфизму подвергаются огромные объемы горных пород, развитые, например, в горно-складчатых поясах, где на большой глубине достигаются высокие температуры и давления при участии глубинных флюидов, обеспечивающих протекание химических реакций. В результате образуются обширные площади, сложенные метаморфическими породами одного типа. Первичная порода может сильно изменить свой химический состав, особенно под действием летучих веществ. Одни элементы выносятся и, наоборот, происходит привнос других элементов. Такие процессы называются метасоматозом, а образовавшиеся породы - метасоматическими.
В зависимости от температурных условий региональный метаморфизм и породы подразделяются на три группы, каждая из которых характеризуется вполне определенным набором минералов:
I - низкотемпературная (300-500 oС);
II - среднетемпературная (500-650 oС);
III-высокотемпературная (более 650 oС).
В глубинных зонах подвижных областей нередко создаются экстремальные условия по давлению, температуре и концентрации летучих, при которых происходит глубокое изменение исходных пород, сопровождающееся их частичным или полным плавлением. Такие процессы называются ультраметаморфическими.
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.
2. Локальный.
Локальный метаморфизм по сравнению с региональным характеризуется проявлением на гораздо меньших площадях и связан с какими-то местными активными зонами, например благодаря тепловому и флюидному воздействию интрузивов на вмещающие породы, в которых наблюдаются метаморфические изменения. Такой тип метаморфизма называется контактовым.
В узких зонах разломов возникает резкое увеличение давления, происходит катаклаз (раздробление) пород, не сопровождающийся, как правило, повышением температуры, а если последняя увеличивается, то могут возникнуть новые низкотемпературные минералы - хлорит, серицит, тальк и др. Подобный метаморфизм называется динамометаморфизмом, стрессовымили дислокационным. Разная степень раздробленности пород приводит к образованию тектонических брекчий, катаклазитов, милонитов.
Ударный тип метаморфизма возникает при воздействии на горные породы мощной ударной волны, вызванной падением на землю крупных метеоритов, при котором мгновенно выделяется огромная энергия. При образовании метеоритного кратера (астроблемы) породы разрушаются, дробятся, перемещаются, плавятся и испаряются. Сейчас на поверхности Земли известно около 200 крупных астроблем, но, конечно, их гораздо больше.
Перекристаллизация (бластез) горных пород при метаморфизме не сопровождается плавлением, и возникают структуры, называемые кристаллобластическими или порфиробластическими, когда выделяются крупные минералы на мелкозернистом фоне.
Текстуры метаморфических пород подразделяются на две группы. В одной из них преобладают ориентированные текстуры, связанные с действием давления, при котором плоские и вытянутые минералы ориентируются в пределах какой-либо плоскости. В другой - минералы в породах распределены неравномерно и преобладают пятнистые, массивные, полосчатые и другие текстуры.
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.