Метаморфизм

Mg2SiO4 + CaAl2Si2O8  ---> Ca,Mg2Al2Si3O12

оливин        анортит                    гранат     

 
     Суммарный молекулярный объем двух первых минералов равен 145, а граната 121. 
     При повышении температуры происходит перекристаллизация и образование новых минералов. Этот процесс сопровождается поглощением тепла. 
     Все реакции, связанные с перекристаллизацией на глубине, происходят в условиях борьбы двух сил — расширения при нагревании и сжатия при сдавливании. Чем сильнее изменилась среда, тем более глубокие изменения происходят в породе. Некоторые ученые, например У. Грубенман, критерием изменения условий метаморфизма считали только глубину от поверхности Земли, на которой происходит явление метаморфизма, исходя при этом из равномерного увеличения давления и температуры с глубиной. На основании этого им были выделены три зоны метаморфизма: верхняя – эпизона, средняя – мезозона, нижняя – катазона. В каждой из этих зон степень метаморфизма различна, и она повышается с глубиной. Такое понимание зон метаморфизма долгое время было господствующим. Земная кора разделялась по степени метаморфизма как бы на дополнительные оболочки. 
     По мере накопления фактического материала выяснилось, что правило зависимости степени метаморфизма от глубины имеет много исключений. В одних участках земной коры регионально метаморфизованные породы встречаются на сравнительно меньших глубинах, чем в других областях. Это объясняется тем, что геотермическая ступень непостоянна, в геосинклиналях она намного больше, чем на платформах. Одни и те же температурные условия (например, 1000°) на золоторудном месторождении Витватерсранд (Африка) могут быть только на глубине 172 км, а в Бонанце (США) — на глубине 6,7 км (геотермическая ступень здесь 6,7 м). 
     Кроме того, существуют условия, которые резко изменяют ход и степень метаморфизма. Такими условиями являются процессы складчатости, вызывающие в земной коре повышение бокового давления и увеличение температуры — вот почему в период складкообразования в геосинклинальных областях явление регионального метаморфизма осуществляется на глубинах, значительно меньших, чем это должно было бы быть при нормальном распределении зон метаморфизма Грубенмана. 
     П. Ниггли и другие исследователи понятие о зонах метаморфизма не связывают так тесно с глубиной, и их зоны эпи-, мезо- и катаметоморфизма являются показателем не столько глубины, сколько условий, господствующих на этой глубине. 
     

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.  
     

3она 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.

 

В обстановке регионального метаморфизма процессы преобразования пород могут достигать максимальной интенсивности, приобретая характер ультраметаморфизма. Он обычно протекает на большой глубине в пределах складчатых областей, где термодинамические условия допускают частичное или полное переплавление пород. Главнейшие процессы ультраметаморфизма — анатексис, палингенез и гранитизация.

 

Анатексис — частичное, избирательное выплавление минералов кварц-полевошпатового состава из исходных пород. В различных количествах расплав такого состава может получаться из любых осадочных и пирокластических пород (за исключением карбонатов, эвапоритов и некоторых других).

 

Палингенез — полное переплавление исходных пород определенного состава с образованием гранитной магмы. Это явление обычно связано с переплавлением гранито-гнейсов и осадочных пород, химический состав которых отвечает гранитам.

 

Гранитизация — процесс химического и минерального изменения пород любого состава с превращением их в граниты. Согласно Д. С. Коржинскому (1952 г.) и А. А. Маракушеву (1973 г.) в процессе гранитизации исходная порода обязательно проходит стадию магматического расплава. Агентами гранитизации являются растворы, которые вызывают расплавление исходной породы, а затем, диффундируя через расплав, изменяют его состав до состава гранитной магмы. Компоненты гранитов при этом растворяются в образовавшейся магме, а компоненты, «избыточные» по отношению к составу гранитной магмы, выносятся растворами за пределы магматического очага.

 

Таким образом, в обстановке глубоких метаморфических преобразований пород стирается граница между метаморфическими и магматическими процессами и завершается тот круговорот в природе, идея которого еще в начале века была высказана русским петрографом И. Д. Лукашевичем: магма => магматические породы =>осадочные породы => метаморфические породы => магма.

 

4.3.1.СТАДИЙНОСТЬ, ЗОНЫ И ФАЦИИ РЕГИОНАЛЬНОГО МЕТАМОРФИЗМА

 

 

Степень изменения пород при региональном метаморфизме находится в прямой зависимости от степени изменения термодинамических условий среды, ряд ученых в качестве главного критерия изменения условий рассматривают глубину протекния процесса, поскольку именно ею, в основном, определяется давление и температура.

 

При региональном метаморфизме различают три стадии изменения горных пород.

 

Первая стадия — стадия низкой степени метаморфизма или эпиметаморфизм. Ей соответствуют слабые изменения пород, которые проходят при температуре около 500 С и давлении менее 500 МПа (5000 атм.). При этом механические процессы преобладают над химическими и в породах сохраняются водные минералы. На этой стадии глины преобразуются в глиняные сланцы, песчаники — в кварциты, известняки — в мраморы. Ей соответствует самая верхняя зона метаморфических изменений — эпизона.

 

Вторая стадия — стадия средней степени метаморфизма или мезометаморфизм. Ей соответствуют температура от 500 до 1000 С и давление от 500 до 1000 МПа (от 5000 до 10000 атм.). На этой стадии происходит потеря водными минералами химически связанной воды. В результате глинистые и кварцевые породы преобразуются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые породы — в гнейсы, основные — в амфиболиты (роговообманковые сланцы). Этой стадии соответствует зона, расположенная ниже эпизоны, которая называется мезозона.

 

Третья стадия — высокой степени метаморфизма или катаметаморфизм. Преобразования на этой стадии происходят при температуре более 1000 С и давлении более 1000 МПа (10000 атм.). Гидростатическое давление преобладает над боковым, а химическое воздействие на горные породы — над химическим. В результате породы приобретают гнейсовую и массивную текстуру: слюдяной сланец преобразуется в гнейс, среднезернистый мрамор — в крупнозернистый, слюдистый кварцит — в кварцитовидный гнейс. Эти породы образуют глубинную зону, располагающуюся ниже мезозоны — катазону.

 

В настоящее время, говоря о зонах метаморфизма, имеют в виду всю совокупность физико — химических условий, создающихся на той или иной глубине. В соответствии с этим большинство исследователей для характеристики процессов метаморфизма и классификации метаморфических пород пользуются понятием о метаморфических фациях. Под метаморфической фацией понимается группа пород разного состава, образовавшихся в сходных термодинамических условиях. В качестве показателей этих условий используют так называемые индекс — минералы, устойчивые в строго определенных условиях температуры и давления.

 

По наличию минералов — индексов выделены фации:

повышение температуры =>

фация зеленых сланцев

эпидот — амфиболитовая фация

амфиболитовая фация

пироксен — роговообманковая фация

гранулитовая фация

глаукофановая фация

эклогитовая фация

 

Таким образом, каждая зона метаморфизма характеризуется наличием определенных минеральных ассоциаций.

 

4.4. КАТАКЛАСТИЧЕСКИЙ МЕТАМОРФИЗМ

 

Катакластический метаморфизм, или динамометаморфизм, происходит под действием направленных давлений и заключается в механическом разрушении (дроблении и перетирании) пород — катаклазе. Катакластический метаморфизм проявляется в тех случаях, когда величина направленного давления превышает предел прочности пород. В результате катакластического метаморфизма в чистом виде, без участия температурного фактора и термальных растворов, образуются катакластические породы с различной степенью раздробленности: тектонические брекчии, катаклазиты,-милониты. Однако в чистом виде катакластический метаморфизм происходит редко, поскольку областями его максимального проявления служат зоны глубинных разломов, являющиеся в то же время и основными путями подъема тепла и термальных растворов из недр.

 

5. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ МЕТАМОРФИЗМА

 

Гнейсы – горная порода, сложенная в основном кварцем, полевыми шпатами, биотитом, роговой обманкой. Гнейсы имеют полосчатую текстуру, т.е. закономерное распределение темноцветных (биотит, роговая обманка) и светлоцветных (плагиоклаз, кварц) минералов в породе. В зависимости от минералогического состава выделяют биотитовые или роговообманковые гнейсы. По составу гнейсы близки к гранитам.  
 
Граниты – полнокристаллическая горная порода, состоящая из кварца, полевого шпата и цветных минералов – биотита, амфибола, граната. Они имеют такой же минералогический состав как и гнейс, но текстурно-структурные особенности другие (отсутствует полосчатость). 

Граниты и их особенности:

• Равномернозернистые, порфировые, пятнистые.
• Реликты гнейсов, кристаллосланцев.
• Более поздние образования по сравнению с гнейсами.

Рис. 3.Гранит с гигантокристаллической структурой

 

Образование гранитов связано с метасоматозом (гранитизацией). Гранитизация развивается главным образом в глубинных зонах геосинклиналей одновременно или несколько позже главных фаз складкообразования. Масштаб гранитизации различен. В областях развития древних кристаллических пород докембрия гранитизация может быть региональной (охватывать большие площади). Гранитизация происходит под влиянием восходящих из недр Земли газовых или жидких растворов и рассматривается как метасоматический процесс, связанный с привносом щелочей и кремнезёма и выносом железа, магния и кальция. Гранитизация происходит в два этапа. На первом этапе формируются плагиограниты (кальциевый метасоматоз), на втором – микроклиновые (калиевый метасоматоз). Причем вторые, как правило, развиваются по первым и замещают их.

 

Граниты, как показывают исследования, сформировались в более позднее время, так как они развиваются по гнейсам и замещают их. Размеры реликтов разнообразны. Разница в возрасте этих пород, а следовательно, и процессов, около 1 млрд лет.

 

Неотъемлемой составляющей гранитоидных комплексов являются пегматиты. Это как правило жильные тела.

 

Пегматиты – разнозернистая, преимущественно крупнозернистая порода, состоящая из полевого шпата, кварца, иногда слюды (биотита, мусковита). Пегматиты разделяют на керамические, мусковитовые, мусковит-редкометалльные и редкометалльные. Керамические пегматиты содержат письменный пегматит, в котором полевой шпат и кварц, закономерно прорастая друг друга, образуют структуру, напоминающую древнееврейские письмена.

 

 

Рис. 5. Пегматит

 

Кристаллические сланцы – полнокристаллические, отчетливо сланцеватые, нередко плойчатые породы. Наиболее распространены среди кристаллических сланцев слюдяные сланцы, состоящие из слюды и кварца. Кроме слюд, в кристаллических сланцах могут присутствовать гранит, дистен, амфибол, ставролит, силлиманит и другие минералы. Соответственно различают дистеновые, ставролитовые, силлиманитовые и другие кристаллические сланцы.

 

 

 

 Базальт Кристаллосланец

 

 

 

 

 

Дунит Серпентинит с асбестом

 

Рис. 6. Схемы изменения пород в результате метаморфизма

 

Железистые кварциты – глубокометаморфизованные осадочные или вулканогенно-осадочные кварцево-железистые горные породы, широко распространенные в докембрийских образованиях. Представлены яснослоистыми, обычно тонкополосчатыми кварц- или силикат-магнетитовыми или гематитовыми породами, с преобладанием в отдельных тонких слоях (от 0,1 до 20 мм) какого-либо одного минерала –– кварца, магнетита (или мартита), гематита, хлорита, серицита, биотита, амфибола и других. Тонкополосчатые, яшмовидно-тонкозернистые разновидности железистых кварцитов называют джеспилитами.