Лекция 17. Метаморфизм и метаморфические горные породы

Процессы и типы метаморфизма

Процессы изменения текстурно-структурных особенностей и минералогического состава горных пород в термодинамических условиях глубинных частей земной коры называются метаморфизмом, а породы, претерпевшие эти изменения, — метаморфическими.

Замечательной особенностью метаморфизма является то, что глубокое структурно-минералогическое преобразование пород происходит при сохранении в твердом состоянии самих пород и слагающих их минералов. Это обстоятельство сильно затруднило выяснение образования метаморфических пород.

Развитие взглядов на процесс метаморфизма имеет длительную историю. Объясняя образование метаморфических пород, ученые первоначально придавали исключительное значение высоким температурам и давлению залегающих выше осадочных толщ, возрастающих по мере погружения метаморфизуемой породы в недра земной коры. Однако стали известны случаи, когда осадочные породы, находившиеся на глубине в несколько километров, не были подвергнуты метаморфизму. В то же время было обнаружено, что важное значение для метаморфизации осадочных отложений имеет не только вертикальное давление вышезалегающих пород, но и субгоризонтально или под углом направленное давление, возникающее при складкообразовании, независимо от глубины нахождения метаморфизуемой породы.

Было также подмечено, что степень метаморфизма у древних пород более высокая, чем у геологически относительно молодых. Это принципиально верное заключение свидетельствует о значении фактора времени при метаморфизме. В результате работ выдающегося русского петролога Д.С. Коржинского установлено что для преобразования минералогического состава метаморфизуемых пород необходимо участие особых подвижных компонентов.

Следовательно, основными факторами метаморфизма являются не только высокие давление и температуры, но и подвижные соединения, в первую очередь вода и ион СО₃.

Метаморфизм — сложный процесс, состоящий из многих частных процессов. Они тесно переплетаются между собой, однако часто какой-либо из них преобладает. Так, при низких температурах могут преобладать механические явления, связанные с направленным давлением (стрессом). Под воздействием огромного давления пластичные глины превращаются в плотные глинистые сланцы, а твердые породы дробятся, катаклазируются, а затем также приобретают сланцевую текстуру. Этот процесс носит название механического, или катакластического, метаморфизма.

При контактовых процессах могут быть случаи метаморфизма, протекающие в условиях значительной температуры, но низкого давления. Например, изливающаяся на поверхность лава обладает высокой температурой и обжигает на контакте горную породу, вызывая ее остеклование и частичную перекристаллизацию. Этот процесс называют каустическим метаморфизмом.

В связи с преобладанием того или иного фактора в преобразовании горных пород различают следующие виды метаморфизма:

• динамометаморфизм,

• региональный,

• контактовый метаморфизмы.

Динамометаморфизм.Основная причина изменения пород — ориентированное давление. Под действием давлений породы нередко скручиваются, сжимаются, а иногда перетираются до мельчайших частиц — мелантизируются. Минералы в горных породах, подвергшихся динамометаморфизму, приобретают характерную ориентировку, располагаясь линейно-параллельно, причем своими длинными осями они ориентированы перпендикулярно давлению. Последнее обстоятельство способствует уменьшению связей в направлениях, параллельных расположению длинных осей кристаллических зерен, что обусловливает рассланцевание (расслоение) породы на отдельные, иногда очень тонкие, плитки с ярко-блестящими поверхностями, представленными часто слюдами, хлоритами, тальком и другими минералами (по их спайности и происходит рассланцевание). Текстура пород очковая, плойчатая.

Региональный метаморфизм проявляется под действием петростатического давления и высоких температур, свойственных глубоким зонам земной коры, охватывает громадные площади и потому называется региональным метаморфизмом.

Как правило, в зоне метаморфизма преобразование пород происходит под совместным воздействием высоких температур и давлений. Принимая удельный вес пород за 2,6—2,8, гидростатическое давление на глубине уже 1 км будет 260—280 кг/см2. В этих условиях происходит коренная перестройка кристаллохимических структур минералов. В зависимости от исходных минералов возникают определенные метаморфические минералы.

Растворимость вещества увеличивается в направлении повышения давления. В условиях колоссального давления на глубине в несколько десятков километров это приводит к тому, что даже такие минералы, которые устойчивы в данных условиях, начинают частично растворяться в направлении сдавливания, но соответственно нарастать в перпендикулярном направлении. В итоге минералы постепенно располагаются своей длиной перпендикулярно направлению сдавливания, в результате чего образуется одинаковая ориентированность минералов (кристаллизационная сланцеватость), столь характерная для метаморфических пород. Наиболее легко поддаются такой переориентировке минералы пластинчатого или призматического облика.

Такая перекристаллизация может происходить без изменения минерального состава, хотя чаще происходит возникновение новых минералов за счет разрушения неустойчивых в зоне метаморфизма.

При нарастающем давлении минералообразование развивается в сторону возникновения более компактных соединений, обладающих большим удельным весом и меньшим молекулярным объемом по сравнению с исходными минералами.

Различные исследователи сильно расходятся в оценке величин температуры и давления, обусловливающего метаморфизацию пород. Одни считают, что процессы метаморфизма совершаются при температуре до 1200°С, другие в качестве нижнего предела температуры метаморфизма принимают 200—550° С. По-видимому, температуры метаморфизма 200—500° характерны для складчатых зон, а 800°С — для глубинных частей докембрийских платформ.

Предполагают, что процессы метаморфизма особенно энергично развеиваются на глубинах от 10 до 50 км и соответственно под давлением в 4—14 тыс. атм. Очень часто при метаморфизме совершается не просто перегруппировка одних и тех же химических элементов, а их закономерное перераспределение, сопровождающееся привносом одних и удалением других элементов. При этом происходит метасоматическое образование метаморфических минералов. Необходимым условием этого процесса является наличие подвижных соединений.

Контактный метаморфизмобусловлен воздействием внедряющихся магматических масс на вмещающие породы. При контактном метаморфизме вторгающаяся магма, остывание которой происходит на протяжении миллионов лет, воздействует на вмещающую толщу во всех направлениях, оплавляя и обогащая породу вблизи контакта выделяющимися из нее газами (температура на контакте достигает 1000°С и более). За счет смешения расплавленных вмещающих пород с магмой возникают новые минералы и породы, образующие контактную оболочку, или контактный ареал. Новообразующиеся минералы и породы тем разнообразнее, чем резче различие между вмещающими горными породами и магмой. Так, на контакте гранитной магмы с известняками появляется целый ряд переходных зон, которые по мере удаления от гранитной массы представлены все более основными породами. В тех случаях, где не происходит смешения известняка с расплавленной магмой, происходит перекристаллизация чистого известняка и превращение последнего в мрамор. При вторжении той же гранитной магмы в толщи осадочных кварцевых песков или песчаников почти совершенно не наблюдается образования новых минералов, а осадочные толщи превращаются в кварциты. На контакте гранитов с оливиновыми породами появляются тальковые и хлоритовые сланцы.

Выделяющиеся из магмы газы и пары, а частью также и водные растворы, образующиеся в более холодных частях литосферы, продвигаясь по порам и трещинам, пропитывают значительные участки земной коры, вызывая своеобразное преобразование горных пород. Если изменение вызвано горячими газами и парами без участия жидкой воды, процесс называется пневматолитическим метаморфизмом. Если метаморфизм происходил под действием горячей минерализованной воды, он называется гидротермальным. При пневматолитовом и гидротермальном метаморфизмах изменения пород заключаются в метасоматической переработке их с изменением химического и минералогического составов.

Изменение пород только под влиянием высоких температур получило название термального метаморфизма. При этом породы обжигаются, изменяются их структура, текстура” иногда минералогический состав.

В наиболее глубинных частях земной коры континентов, в условиях очень высокого давления, при температуре около 600°С и под активным воздействием легколетучих соединений, выносимых из мантии, преобразование пород происходит как бы на грани законов, регулирующих метаморфическую перекристаллизацию минералов и их магматическую кристаллизацию. Метаморфизуемая порода частично расплавляется и расплавленное вещество переходит в состояние магмы. Такой процесс получил название ультраметаморфизма, палингенеза или анатексиса. При этом обычно происходит привнос в расплав калия и натрия, что приводит к образованию калиевых и натриевых полевых шпатов, слюд, амфиболов. В результате происходит гранитизация породы. Возможно, именно таким образом происходит формирование гранитных батолитов.

Совместное нахождение твердой метаморфической породы и магматического расплава сопровождается проникновением расплава в породу по плоскостям сланцеватости с образованием мигматитов. Мигматиты особенно характерны для древних кристаллических щитов.

Зоны и фации метаморфизма

Изучение парагенетических ассоциаций минералов в метаморфических породах геосииклиналей позволило установить следующие изменения минерального состава алюмосиликатной осадочной породы(глины, глинистого сланца) при нарастающем метаморфизме.

1. Самой первой, слабой стадии метаморфизма отвечает образование хлорита с подчиненным количеством альбита и серицита.

2. Затем происходит образование биотита, который становится преобладающим минералом. Кроме него, присутствуют альбит, хлорит, серицит.

3. Дальнейший метаморфизм приводит к образованию альмандина (главный минерал) сальбитом и слюдой.

4. Далее порода превращается в ставролитовый, дистеновый и, наконец, силлиманитовый кристаллический сланец. Появляются полевые шпаты, структура становится более крупнозернистой.

На основании этих данных и общетеоретических соображений ученые предположили, что главным фактором метаморфизма является глубина погружения метаморфизуемой породы и поэтому метаморфизм стали разделять на три глубинные зоны: эпизону (верхнюю), мезозону (среднюю) и катазону (нижнюю). Однако дальнейшее изучение минеральных ассоциаций метаморфических пород показало, что такое представление очень схематично.

Определяющее значение для формирования минералогического состава метаморфизуемой породы имеет не глубина, а термодинамические и физико-химические условия. Поэтому было введено понятие о метаморфических фациях, под которыми понимаются породы определенного минералогического состава, образованные в одинаковых термодинамических условиях.

Выделяются низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные группы фаций, каждая из которых разделяется по величине давления. Например, в группе низкотемпературных фаций выделяются фация низких давлений (фация хлоритовых сланцев) и высоких давлений (фация щелочного амфибола — глаукофана). Процессу метаморфизма, протекающему в наиболее глубоких частях земной коры континентального типа, отвечает эклогитовая фация, образующаяся в условиях очень высоких давлений. Описание пород этой фации — эклогитов и гранулитов — приводится ниже.

Распространенные метаморфические горные породы

Текстурно-структурные особенности метаморфических пород. Типы текстур и структур метаморфических горных пород значительно разнообразнее, чем изверженных и осадочных. Характерные текстурно-структурные черты метаморфических пород обусловлены особенностями их образования.

При метаморфизме рост всех минералов происходит одновременно, а не последовательно, как при образовании изверженных пород, и не при наличии жидкой среды, а при сохранении твердого состояния породы. Для обозначения процесса кристаллизации минералов в твердой среде австрийский петрограф Ф.Бекке ввел термин бластез.

Для метаморфических пород наиболее типичны различные варианты кристаллобластовой структуры, которая образуется при одновременном росте разных кристаллов. Идиоморфизм минералов в метаморфических породах определяется не их более ранним образованием, а способностью к образованию кристаллов.

Хорошо ограниченные идиоморфные зерна в метаморфических породах называются идиобластами, минералы с отсутствующими кристаллографическими ограничениями — ксенобластами.

Крупные зерна, выделяющиеся среди более мелких, называются порфиробластами. При одинаковой величине минералов структура породы имеет название гомеобластовой, при наличии порфиробластов — порфиробластовой.

В случае преобладания чешуек в породе структура называется чешуйчатой, если минералы имеют волокнистые или игольчатые формы—фибробластовой), если минералы образуют зерна — гранобластовой. Для метаморфических пород характерна пойкилитовая структура (от греч. пестрый), которая образована сравнительно крупными кристаллами, проросшими более мелкими. В результате раздавливания минералов возникает катакластическая структура.

Для текстур метаморфических пород типичны сланцеватые, полосчатые, ленточные, очковые, хотя встречаются и массивные.

В породах регионального метаморфизма, во-первых, присутствуют минералы исходных пород (осадочных или изверженных). Во-вторых, имеются минералы, характерные для процессов метаморфизма. К ним относятся дистен, ставролит, силлиманит, гранаты, минералы группы эпидота, тремолит, актинолит, тальк, графит и др. Важное значение для состава метаморфических пород имеет состав исходных пород, так как образование тех или иных минералов связано с наличием определенных химических элементов.

В зависимости от условий при одном и том же химическом составе могут возникать метаморфические породы, сложенные «глубинными» или более «поверхностными» ассоциациями минералов.

Распространенные метаморфические породы

Гнейсы являются наиболее распространенной метаморфической породой и, по-видимому, составляют около половины всей массы пород этой группы. Они характеризуются гранобластовой структурой, хорошо выраженной параллельной (гнейсовой) текстурой и состоят преимущественно из полевых шпатов, в меньшем количестве из кварца, роговой обманки, пироксенов (авгита или диопсида), биотита, мусковита. Могут присутствовать гранаты, силлиманит, графит и др. В случае преобладания натровых плагиоклазов выделяют плагиоклазовые гнейсы. При высоком содержании глинозема в исходных породах образуются гнейсы с повышенным содержанием силлиманита, кордиерита, граната.

Если эти породы образовались при метаморфизме изверженных пород (гранитов, гранодиоритов, кислых эффузивов), то их называют ортогнейсами, при образовании из осадочных пород — парагнейсами.

Состав гнейсов близок к гранитам. Эти породы очень распространены в толщах докембрийских образований, слагающих основание платформ и щитов.

Гранулиты имеют полосчатую и ленточную текстуру. Они состоят главным образом из мелкозернистых кварца и полевых шпатов, наряду с которыми присутствуют крупные порфиробласты граната.

В том случае, когда полнокристаллические метаморфические породы, обладающие параллельной текстурой, не содержат полевых шпатов, их называют кристаллическими сланцами. Они имеют разнообразный состав и в своем распространении немногим уступают гнейсам. Особенно широко распространены слюдяные сланцы. По составу слюд выделяют биотитовые, мусковитовые и двуслюдяные сланцы. Они имеют чешуйчатую структуру и состоят в основном из кварца и слюды.

В значительном количестве могут присутствовать гранаты, ставролит, андалузит, дистен, магнетит, графит.

Амфиболиты возникают в результате глубокого преобразования как изверженных пород среднего и основного состава (базальтов, диабазов и их туфов), так и осадочных пород (мергелей, доломитовых глин). Амфиболиты обладают гранобластовой структурой, массивной или параллельной текстурой и состоят из кальциевых плагиоклазов (от андезина до анортита), роговой обманки, пироксенов и гранатов. В значительном количестве могут присутствовать дистен, эпидот, калиевые полевые шпаты, слюды.

Амфиболиты широко распространены среди пород докембрийского основания платформ и щитов, составляя около 20—25% всей массы метаморфических пород. пород.

Кварциты являются характерным представителем метаморфических пород. Они обычно имеют гранобластовую структуру и полосчатую или массивную текстуру. В их составе резко преобладают зерна кварца, в виде примеси содержатся полевые шпаты, слюды, амфиболы и пироксены. Соответственно выделяют кварцито-гнейсы, слюдяные, роговообманковые или авгитовые кварциты. При высоком содержании в исходных породах минералов группы оксидов железа образуются магнетитовые (железистые) кварциты. Оригинальной породой, обладающей красивым темно-вишневым цветом, является так называемый шокшинский песчаник из Южной Карелии. Образование кварцитов связано с метаморфизмом осадочных песчаных пород.

Мраморы — продукт перекристаллизации известняков и доломитов. Они обычно имеют кристаллобластовую структуру и массивную текстуру.

Глинистые сланцы представляют собой сильноуплотненные тонкосланцевые породы, образующиеся из глинистых отложений в результате процессов динамометаморфизма. В отличие от плотных глин (аргиллитов) глинистые сланцы не размокают в воде благодаря преобразованию кристаллохимических структур глинистых минералов в более прочные.

Альбит-хлоритовые и эпидот-хлоритовые сланцы являются продуктами первых стадий метаморфизма глинистых и алевритовых осадочных пород, а также доломитов. Из обломочных пород, богатых магнием и железом, образуются хлоритовые и тальковые сланцы.

Филлиты — тонкослоистые породы, состоящие из мелких зерен кварца и чешуек серицита. В виде порфиробластов часто присутствуют гранат, ставролит, биотит, пирит, магнетит, сфен.

Широкое распространение имеют метаморфические породы, образовавшиеся при региональном метаморфизме под воздействием поровых вод сравнительно невысокой температуры, но в условиях значительного давления.

В результате такого типа метаморфизма толщ основных эффузивов и связанных с ними пирокластических пород образуются так называемые зеленокаменные породы, сложенные мелкозернистыми зернами эпидота, кварца, карбонатов, роговой обманки, чешуйками серицита и хлорита. Зеленокаменные породы особенно типичны для Урала.