Метаморфизм

Горные породы после формирования могут попасть в такую геологическую обстановку, которая будет существенно отличаться от обстановки образования породы и на нее будут оказывать влияние различные эндогенные силы: тепло, давление (нагрузка) вышележащих толщ, глубинные флюиды, растворы и газы, воды, водород, углекислота и др. Изменение магматических и осадочных пород в твердом состоянии под воздействием эндогенных факторов и называется метаморфизмом (метаморфо — преобразуюсь, превращаюсь).

Все метаморфические процессы можно разделить на две группы. В одной из них химический состав метаморфизуемых пород не изменяется, т. е. преобразование происходит изохимически. Во второй группе наблюдается изменение состава пород за счет привноса или выноса компонентов. Такой процесс называется аллохимическим. Под воздействием процессов метаморфизма происходят перекристаллизация исходных пород, изменение минерального и химического состава. Метаморфические процессы могут быть разной интенсивности, поэтому в природе наблюдаются все постепенные переходы от практически неизмененных или слабо измененных пород, первичная текстура, структура и состав которых сохранились, до пород, измененных настолько сильно, что восстановить их первичную природу невозможно. Усиление степени метаморфизма, т. е. увеличение температуры, давления и концентрации флюидов, приводит к изменению или распаду неустойчивых минералов на более устойчивые ассоциации. С этими породами связаны очень важные метаморфогенные месторождения, содержащие железные руды, графит, золото, уран, медь, кварциты, мраморы и др.

Факторы метаморфизма. Р ешающее влияние на метаморфизм горных пород оказывают давление, температура и флюиды.

Температура. 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 температуре выше 300°С.

Давление подразделяется на всестороннее (литостатическое), обусловленное массой вышележащих горных пород, и стрессовое, или одностороннее, связанное с тектоническими направленными движе­ниями. Всестороннее литостатическое давление связано с глубиной 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 проявлятся в верхней части земной коры складчатых зон и выражается в образовании определенных структурно-текстурных особенностей породы. Стрессовое давление вызывает механические деформации горных пород, их дробление, рассланцевание, увеличение растворимости минералов. В подобные зоны проникают флюиды, под воздействием которых породы испытывают перекристаллизацию.

Флюиды 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. е. лишенных флюидов, даже при наличии высоких давлений и температур метаморфические изменения почти не происходят.

Основные типы метаморфизма. В общем виде метаморфизм подразделяется на региональный и локальный. 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 глубинных зонах подвижных областей создаются экстремаль­ные условия по давлению, температуре и концентрации летучих компонентов, при которых активную роль начинают приобретать расплавы. Такие процессы называются ультраметаморфическими. В приповерхностных условиях происходят экзотермические реакции, процессы гидратации и карбонатизации, с образованием низкотемпературных минеральных ассоциаций.

Локальный метаморфизм по сравнению с региональным характеризуется проявлением на гораздо меньших площадях и связан с местными активными зонами, например благодаря тепловому и флюидному воздействию интрузивов на вмещающие породы, в которых наблюдаются метаморфические изменения. Такой тип метаморфизма называется контактовым или контактово-термальным (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Схема контактного метаморфизма

1 – неизмененный гранит; 2- метаморфизованные породы; 3 – неизмененные осадочные породы; пунктир – граница метаморфизованных пород

С интрузивами нередко связан и локальный метасоматоз, обязанный отделению от магм различных флюидов — Н₂О, СО₂, Н₂, НС1 и других, которые вступают в химические реакции с вмещающими породами, образуя специфические по структурам и текстурам метасоматиты. Метасоматоз такого рода происходит в условиях низких температур и давлений, и постмагматические растворы воздействуют не только на вмещающие, но и на породы самого интрузивного тела. 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. Подобный метаморфизм называется динамометаморфизмом.

Следует отметить еще один тип метаморфизма — ударный, возникающий при воздействии на горные породы мощной ударной волны, вызванной падением на землю крупных метеоритов. При образовании метеоритного кратера породы разрушаются, дробятся, перемещаются, плавятся и испаряются. Сейчас на поверхности Земли известно около 200 крупных астроблем, но, конечно, их гораздо больше.

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.

Понятие о фациях метаморфизма. Породы, образовавшиеся в результате регионального метаморфизма, подразделяются на основе выделения минеральных фаций.

Чаще всего выделяют три наиболее важные фации — зеленосланцевую, амфиболитовую и гранулитовую. Первая фация принадлежит к низкой ступени метаморфизма и самым характерным представителем пород этой фации являются зеленые сланцы, формирующиеся по базальтам и их туфам и содержащие в своем составе хлорит, зеленую роговую обманку, эпидот, т. е. минералы с зеленым оттенком. Наличие голубой роговой обманки характеризует низкие температуры, порядка 300-400°С, но очень высокие давления — 12-10 Па (до 12 кбар). Голубые сланцы маркируют узкие зоны аномально высоких давлений, связанные с действием односторонне направленного дав­ления (бокового сжатия) в зонах разломов.

Метаморфические породы амфиболитовой фации относятся к средней ступени метаморфизма с образованием амфибола, слюды, реже гранатов. Для этой фации характерны такие породы, как разнообразные кристаллические сланцы, гнейсы, амфиболиты.

Породы высшей фации метаморфизма гранулитовой, представлены - гранулитом, породой состоящей из кварца, полевых шпатов и граната, пироксенов, характеризуется высокими значениями давлений и температур. В этих условиях не могут существовать минералы, содержащие воду, и поэтому для гранулитовой фации характерной породой является эклогит — очень плотная и тяжелая порода, состоящая из граната и пироксена. Гранулиты и эклогиты широко распространены в архейских и протерозойских отложениях.

Давление, тепло и глубинные флюиды изменяют горные породы в твердом состоянии, подвергая их изохимическому или аллохимическому метаморфизму. Основными типами метаморфизма являются региональный и локальный. Температура определяет три группы метаморфизма — низко-, средне- и высокотемпературный. Фации метаморфизма выделяются на основе минерального состава измененных пород. Падение крупных метеоритов вызывает особый тип метаморфизма.