Метаморфизм

В общем случае интенсивность преобразований, связанных с воздействием температуры, увеличивается с глубиной залегания пород и ростом продолжительности теплового воздействия. Однако прямой зависимости здесь не существует, поскольку в разных зонах коры значения теплового потока и геотермического градиента различны. Этим объясняется неодинаковая степень температурных преобразований пород, залегающих на сопоставимых глубинах, но в различных областях земного шара.

 

 

3.2. ДИНАМОМЕТАМОРФИЗМ

 

Давление — фактор динамометаморфизма. Различают воздействие геостатического (петростатического) давления, которое создается массой вышележащих толщ пород, и направленного давления (стресса), вызываемого тектоническими движениями.

Геостатическое давление способствует реакциям, идущим с сокращением объема твердой фазы, и приводит к образованию минералов с более плотной упаковкой (и большой плотностью). Кроме того, геостатическое давление вызывает повышение температуры плавления минералов, расширяя тем самым интервал температурных преобразований в твердой фазе. В условиях всестороннего давления формируются породы с однородной массивной текстурой.

Направленное давление (стресс) проявляется в деформации пород и приводит к изменению их структурно-текстурных особенностей. Под влиянием стресса минералы в породе приобретают закономерную ориентировку, располагаясь длинными осями и плоскостями спайности перпендикулярно к направлению давления. При этом формируются так называемые сланцевые текстуры, характерные для обширной группы метаморфических пород — сланцев. Кроме того, стресс оказывает каталитическое воздействие на процессы минералообразования, ускоряя или замедляя их, и, вызывая дробление пород, повышает их фильтрационные свойства, что способствует циркуляции метаморфизующих растворов.

Изменения геостатического и направленного давления с глубиной неодинаковы: если первое в общем увеличивается, то второе, наоборот, ослабевает. На глубинах свыше 10 км направленные давления практически не проявляются, поскольку сокращение объема пустотного пространства в условиях высокого геостатического давления приводит к пересыщению породы растворами и преобразованию направленного давления в геостатическое. Однако и геостатическое давление контролируется не только глубиной. Согласно расчетным данным его величина в подошве земной коры не превышает 1300 МПа. Между тем изучение минералов, полученных экспериментальным путем, и сопоставление их с естественными ассоциациями минералов метаморфических пород показывают, что давления при метаморфизме в земной коре могут достигать 2500 МПа. Отсюда следует, что при определенных условиях величина давления зависит не только от массы вышележащих толщ пород, но в значительной степени и от процессов направленного сжатия (в том числе и в горизонтальном направлении), которые вызывают аномальное увеличение давления на относительно небольших глубинах.

 

 

3.3. МЕТАСОМАТОЗ

 

Химически активные вещества — третий и, вероятно, самый главный фактор метаморфизма, который приводит к изменению химического состава пород. К ним, прежде всего, относятся вода и углекислота; в последнее время не меньшее значение придается водороду — газу, обладающему высокими теплопроводностью и диффузионной способностью. Существенную роль играют также соединения N, Cl, F, B, S и других элементов. В виде растворов сложного состава эти вещества мигрируют через горные породы, оказывая на них метаморфизующее воздействие. Согласно господствующей точке зрения, обоснованной Д. С. Коржинским, А. А. Маракушевым и др., метаморфизующие растворы имеют глубинное (подкоровое) происхождение. Вода, содержащаяся в осадочных породах и освобождающаяся в процессе их высокотемпературного преобразования, не имеет большого значения и обычно не сказывается на общем характере метаморфизма. Основным фактором, по-видимому, являются восходящие горячие растворы, которые диффундируют из недр сквозь мельчайшие пустоты пород и через магматические расплавы, и, обогащаясь минерализаторами, становятся активными агентами метаморфизма. Об огромной роли этих растворов можно судить по тому факту, что в так называемых сухих системах, т. е. в породах, лишенных растворов вследствие малого объема их пустотного пространства, даже при наличии высоких давлений и температур метаморфические преобразования практически не происходят или идут крайне медленно.

 

                          

                        

Рис. 4. Метасоматическое замещение биотита кварцем

 

 

 

 

3.3.1. ТИПЫ МЕТАСОМАТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 

Типы метасоматических процессов

В зависимости от способа перемещения вещества в растворах различают метасоматоз диффузионный и инфильтрационный. К диффузионным метасоматическим процессам относятся такие, при которых перенос компонентов осуществляется диффузией в водном растворе. При инфильтрационном метасоматозе перемещение вещества осуществляется течением раствора благодаря фильтрации и просачиванию через горные породы. В природных условиях крайне редко проявляется только инфильтрационный или только диффузионный метасоматоз, обычно имеется преобладание того или другого способа переноса вещества, проявляющееся в масштабах и строении метасоматических тел.

 

В зависимости от геологической позиции метасоматоз можно разделить на автометасоматоз, контактовый, околожильный и региональный.

 

• Автометасоматоз связан с ранними послемагматическими процессами и проявляется обычно в верхних частях магматических тел и связанных с ними жильных образований. К автометасоматическим процессам относятся, например, альбитизация в гранитах и серпентинизация в ультраосновных породах.

 

• Контактовый метасоматоз развивается в зоне контакта интрузии с вмещающими, как правило, осадочными породами. Наиболее яркими представителями являются скарновые образования, развивающиеся в раннюю послемагматическую стадию на контакте интрузива с вмещающими карбонатной породой (обычно контакт гранитов или диоритов с известняками или доломитами). Также к контактовым метасомтитам относятся процессы "приконтактового выщелачивания", грейзены, вторичные кварциты.

 

• Околожильный метасоматоз (его иногда называют околорудным) связан с образованием жильных и штокверковых месторождений. Околожильные метасоматиты могут образовываться в широком диапазоне температур, но всегда связаны с кислотной стадией послемагматического процесса.

 

• Региональный (площадной) метасоматоз может проявляться в различной геологической обстановке, чаще в условия больших глубин.

В зависимости от химического состава различают кремневый, щелочной, кислотный и др. метасоматоз.

 

 

4. ТИПЫ И УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ МЕТАМОРФИЗМА

 

В природных условиях в различных участках земной коры совместно проявляются несколько факторов метаморфизма, однако масштаб их проявления в целом и относительная роль каждого фактора в метаморфическом процессе определяются конкретной геологической обстановкой. По особенностям пространственного размещения и размаху процесса различаются два основных типа метаморфизма: локальный и региональный. Метасоматический метаморфизм может сопровождать метаморфизм любого типа и поэтому развивается как в локальных, так и в региональных условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1. ЛОКАЛЬНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ

 

 

Локальный метаморфизм контролируется конкретными структурными элементами — разломами, контактами с интрузивными породами, пликативными дислокациями. Образующиеся при этом метаморфические породы связаны постепенными переходами с неметаморфизованными толщами. К локальным формам проявления метаморфизма относятся контактовый и катакластический метаморфизм.

 

 

 

4.2. КОНТАКТОВЫЙ МЕТАМОРФИЗМ

 

   Контактовый метаморфизм  связан с интрузиями, которые, внедряясь  в осадочные или ранее существующие  изверженные породы, вносят в  земнуцю кору избыточное тепло (термометаморфизм). При этом интрузии занимают какое-то пространство, раздвигают, сдавливают и уплотняют вмещающие породы (динамометаморфизм).

      Выделяющиеся из  магмы газы и пары, вступая  в реакции с боковыми породами, способствуют образованию новых  минералов (пневматометаморфизм), а гидротермальные растворы обусловливают явление метасоматоза. Таким образом, при внедрении магмы действуют все факторы метаморфизма.

     Вблизи контакта магмы  и вмещающей породы образуется  пояс (ореол), сложенный метаморфическими  породами. Чем сильнее воздействие магмы, тем шире этот ореол. Контактовый метаморфизм распространяется не только на вмещающие породы, но его воздействие захватывает и краевую часть магматического тела. Это явление называется автометаморфизмом (самометаморфизмом), термин в данном случае показывает, что магма сама испытывает метаморфизм. Происходит это в связи с тем, что давление и явления, связанные с трением при внедрении магматического тела, распространяются в равной мере как на боковые породы, так и на магматическое тело.

     Газы и пары также  изменяют и магматическую и  вмещающую породу вблизи их  контакта. Метаморфизм вмещающих  пород получил название явления  аллометаморфизма. Таким образом, контактовый  метаморфизм совершается по обе  стороны от контакта — на  внешней (экзоконтактовый метаморфизм) и на внутренней (эндоконтактовый метаморфизм) стороне. Ширина зоны контактового метаморфизма очень различна. У интрузивных тел типа даек она измеряется миллиметрами и сантиметрами, у крупных тел батолитового типа — сотнями метров и даже километрами. Так, например, зона метаморфизма у одной гранодиоритовой интрузии в Банате (Румыния) достигает 2 км, а у гранитного массива в Эльзасе — 1,2 км. Интрузии основного состава образуют меньший ореол метаморфизма, чем кислые интрузии, так как они в меньшем количестве содержат летучие компоненты и, по-видимому, обладают меньшей энергией при внедрении.

     Степень изменения  пород при контактовом метаморфизме  неодинакова: вблизи контакта породы, естественно, изменены сильнее, нежели  на периферии зоны. Таким образом, создаются полосы различной степени метаморфизма — так называемые метаморфические фации. Характер метаморфической фации зависит не только от положения магматического очага, но и от состава и физического состояния вмещающих пород. Например, метаморфизм песчаников протекает совершенно по-иному, чем метаморфизм известняков. В то же время породы пористые и трещиноватые метаморфизуются сильнее, чем плотные.

     Иногда можно обнаружить  участки более метаморфизованных  пород среди поля менее измененных пород. По-видимому, это связано или с особым составом первоначальных пород в этих участках или с какими-то более благоприятными условиями проникновения газов и паров. Способность некоторых пород метаморфизоваться более других носит название выборочного метаморфизма.

     В результате контактового  метаморфизма образуются своеобразные  горные породы — роговики. Это  обычно мелкозернистые или среднезернистые  плотные неслоистые породы, состав  которых в значительной степени  зависит от первичного состава породы. По данным В. М. Гольдшмидта, при метаморфизме глинисто-мергелистых пород в зависимости от количества карбоната может образоваться 10 типов роговиков. В роговиках появляются новые минералы, отсутствовавшие в первичных породах, такие, как андалузит, кордиерит, плагиоклаз, биотит, гиперстен, диопсид, гранат, волластонит. Роговики называются по наличию преобладающих минералов, например: плагиоклаз-гиперстеновый роговик, гранат-волластонитовый роговик и т. п.

     Главную роль в  образовании роговиков играет температура. Наблюдения и теоретические вычисления показали, что большие интрузивные массы в краевых частях имеют температуру до 1000°, причем остывание интрузии на глубине происходит медленно. Расчеты Цобеля свидетельствуют, что температура в интрузии гранита в 700 м от контакта через 6400 лет понижается от 1000 до 400°. Нагревание окружающей породы от магмы происходит так, что через 100 лет после внедрения в 100 м от контакта еще господствует температура в 700°.

     Вследствие малой  теплопроводности горных пород остывание нагретых вмещающих пород также совершается медленно, и тепло вблизи контакта может сохраняться в течение 10 тыс. лет. С этим связано, по-видимому, присутствие термальных источников в районах потухших вулканов.

 

4.3. РЕГИОНАЛЬНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ

 

Наряду с узкими полосами контактово-метаморфических пород наблюдаются огромные площади, занятые сплошными толщами метаморфических пород. 
     Они располагаются под очень тонким слоем молодых осадочных отложений в Финляндии, Карелии, на Кольском полуострове, слагая так называемый Балтийский щит, на правобережье Днепра, образуя здесь Украинский щит, а также в Сибири — на Алдане и в верховьях Анабары. На огромных просторах Русской низменности, а также между рр. Енисеем и Леной метаморфические породы слагают основание платформ — Русской и Сибирской. Они были обнаружены скважиной в Москве на глубине свыше 1500 м. 
     Метаморфические породы, залегающие в основании древних платформ, относятся к архею или протерозою. В геосинклинальных складчатых областях оплошные толщи метаморфических пород могут быть более молодыми, чем на платформах, но, как правило, они древнее периода проявления главной складчатости в этом районе. 
     Таким образом, в любой части коры земного шара на определенной глубине под толщей неметаморфизованных отложений можно встретить метаморфические породы. Для объяснения их происхождения была разработана теория регионального метаморфизма, под которым понимается метаморфизм на обширных площадях и определенных глубинах, связанный с общими физико-химическими условиями, господствующими на этих глубинах. 
     Основоположники теории регионального метаморфизма объясняли наличие таких условий исключительно большими глубинами. Исходя из среднего геотермического градиента (1° при углублении на 33 м) на глубине 33 км температура должна быть равна 1000°, что вполне достаточно для глубокого метаморфизма. С другой стороны, такие глубины характеризуются весьма большим давлением, которое повышается (прогрессивно) на каждые 100 м  на 2,7 кг/см². 
     Таким образом, региональный метаморфизм возникает не вследствие каких-то спорадически действующих причин, а в связи с явлениями, типичными для глубоких частей земного шара. Вещество горной породы, попадая в иные условия, выходит из устойчивого равновесия и начинает приспосабливаться к новым условиям — происходит процесс перекристаллизации. 
     Если при постоянной температуре изменяется давление, то минералы, появляющиеся вновь в процессе перекристаллизации, обладают большим удельным весом и более плотной структурой элементарной ячейки. Так, из оливина и анортита на значительной глубине образуется гранат: