2.3.2.3. Метаморфические породы

Общие сведения. Метаморфические горные породы представляют собой породы, ранее образованные как осадочные или магматические, но претерпевшие изменения – метаморфизм (греч. meta – после) – в недрах Земли под действием глубинных флюидов, температуры и давления или близ земной поверхности под действием тепла внедрившихся в них интрузивных масс.

Метаморфизм пород сопровождается существенным изменением их текстуры, структуры и минерального состава под воздействием температуры, давления и химической активности глубинных растворов (флюидов). Впервые идею о метаморфизме горных пород высказал в 1763 г. М.В. Ломоносов в своём трактате «О слоях земных». Учёный описал превращение ила, глины в твёрдый камень в результате «слёживания и подземного огненного действия».

Процесс выветривания (разрушения) горных пород и строительных материалов активно протекает на земной поверхности. Под поясом выветривания располагается пояс цементации, где рыхлые осадочные породы уплотняются и цементируются природными цементами. Ниже этой зоны, начиная примерно с глубины 1 км, простирается зона метаморфизма.

В зоне метаморфизма все горные породы – магматические и осадочные – подвергаются воздействию факторов метаморфизма: высокой температуры, давления, флюидов (жидких, текучих химически активных веществ – магматических газов, растворов) – и претерпевают существенные изменения. Так рождаются принципиально новые породы – метаморфические, которые имеют свой минеральный состав, структуру, текстуру и свойства.

В зависимости от преобладающих факторов в зоне метаморфизма выделяются два основных типа метаморфизма: 1) контактовый; 2) динамометаморфизм.

Контактовый метаморфизм. Этот процесс развивается на контакте внедрившейся расплавленной магмы с вмещающими её горными породами. Последние, подвергаясь воздействию высокой температуры (850 ºС и более) и флюидов, претерпевают ряд изменений. Формируется новый химический и минералогический состав. Из известняков образуются новые метасоматические породы скарны (силикаты сложного строения), а из глин – роговики контактово-метаморфические.

Если породы преобразуются исключительно под действием высокой температуры, что возможно в известной близости к магматическим очагам, процесс носит название пирометаморфизма (греч. pyr – огонь).

В процессе контактового метаморфизма, особенно пирометаморфизма, могут возникать породы зернистого типа: из известняков и доломитов – мраморы (греч. marmoros – блестящий камень), из кремнистых отложений – кварциты.

Динамометаморфизм. Это преобразование исходных пород, происходящее под действием высокого давления, которое возникает при процессах горообразований, или в силу давления вышележащих многокилометровых толщ осадочных пород, образующихся при опускании земной поверхности. При таком метаморфизме происходит распад первичных минералов, образуются новые метаморфические породы с характерной сланцеватой структурой (текстурой) и новыми минералами, для которых характерны удлинённая форма кристаллов (роговая обманка) и чешуйчатые очертания (хлорит, биотит, мусковит, тальк).

Толщи земной коры, где в процессе метаморфизма одновременно господствуют большие давления и высокие температуры, получили наименование области регионального метаморфизма. Он проявляется на больших площадях и особенно интенсивно протекает с глубины 6-8 км. Вот некоторые значения давлений в зоне метаморфизма: на глубине 5 км – 100 МПа, 10 км – 280 МПа, 25 км – 500 МПа. С ростом глубины растёт и температура. Предполагают, что на глубине 15 км она составляет 300 ºС, на глубине 30 км может достигать 600 ºС.

В области динамометаморфизма степень преобразования исходных пород в те или иные метаморфические породы зависит от интенсивности процесса.

Подзоны метаморфизма. В земной коре зона метаморфизма по глубине подразделяется на три подзоны: эпи-, мезо- и катаподзона, где последняя является аналогом области регионального метаморфизма и имеет самую высокую степень воздействия факторов метаморфизма на исходные породы (табл. 7).

Эпиподзоне соответствует начальная степень метаморфизма. Изменение исходных пород слабое, структура их может сохраняться. Для этой зоны характерны минералы типа хлорита, талька, кварца. Типичными породами являются филлит, хлоритовый и тальковый сланцы. В мезоподзоне степень метаморфизма более интенсивна. Давление одностороннее, породы имеют сланцевый облик. Здесь особо устойчивы роговая обманка, кварц и слюды.

Таблица 7 – Примеры изменения пород с глубиной в процессе

динамометаморфизма

Толща осадочных пород	Пояс выветривания	Песок	Глина	Известняк	Гранит
	Пояс цементации	Песчаник	Глинистый сланец	Полукристаллический известняк	–
Зона метамор-физма	Эпиподзона	Кварцит	Филлит	Мелкозернистый мрамор	–
	Мезо-подзона	Сланцевый кварцит	Слюдистый сланец	Среднезернистый мрамор	–
	Катаподзона (региональный метаморфизм)	Перекристаллизованный кварцит	Гнейс	Крупнозернистый мрамор	Гнейс

Катаподзона представляет собой зону наиболее интенсивных давлений и высоких температур. К числу характерных минералов относятся кварц, основные плагиоклазы, микроклин, пироксены и др. Типичной горной породой этой зоны является гнейс.

В табл. 7 показана также и другая зависимость, когда тип метаморфизованной породы зависит от состава исходной породы. Так, если это песок, то в процессе метаморфизма он превратится в кварцит, а если известняк, то образуется мрамор. Магматическая порода (гранит) прессуется в гнейс.

В дальнейшем метаморфизованные породы под действием очень медленных горообразовательных (орогенных) движений могут быть подняты в верхние части земной коры и обнажены в процессе размыва поверхности проточными водами. При метаморфизме рыхлые породы переходят в прочные, так называемые скальные породы. В силу этого их строительные качества улучшаются, они приобретают водоустойчивость, повышается их плотность и прочность, уменьшается сжимаемость, увеличивается морозостойкость.

Форма залегания. Метаморфические породы унаследуют форму залегания горных пород, из которых они образовались. Если это были осадочные породы, то метаморфические породы слоисты, а если это были магматические породы, то сохраняются их прежние формы залегания – жилы, лакколиты (грибообразная интрузия магмы). Характерная особенность сланцев – вторичная сланцеватость (кливаж). Своеобразна форма залегания пород контактового метаморфизма. Обычно это зоны, окружающие магматические интрузивные тела.

В большинстве случаев метаморфические породы имеют ярко выраженную кристаллическую структуру. В зависимости от степени метаморфизма в породе сохраняется структура исходной породы. Для массивных пород характерна зернистая структура. Кварциты чаще всего имеют мелкозернистую структуру, при которой зёрна кварца, «обросшие» кварцевой массой, склеиваются между собой. Мраморам свойственны полнокристаллические мелко- и среднезернистые структуры. Сланцеватые породы имеют сланцеватые кристаллические структуры, где все кристаллы минералов (гнейс, сланцы) имеют вытянутую (либо чешуйчатую) форму.

Текстура. Метаморфические породы по текстуре подразделяются на реликтовые, отражающие пережитки текстуры, флор и фаун минувших эпох, и сингенетические (греч. syn – вместе) с метаморфизмом – возникшие одновременно с метаморфическими процессами. К примеру, в осадочных напластованиях наибольшее сохранение слоистой текстуры наблюдается при метаморфизме в сланцеватости новой породы при унаследованной реликтовой структуре. Сингенетические текстуры подразделяются на сланцеватые, возникшие при механических деформациях, и кристаллизационные, сформировавшиеся в процессе перекристаллизации.

Метаморфические породы различаются по структурно-текстурным признакам и минеральному составу. Среди них выделяют два типа пород: массивные (зернистые) – кварцит и мрамор; сланцеватые – гнейс, различные сланцы (филлиты, слюдяные, тальковые и др.).

Мрамор. Известняк, магнезит, а иногда и доломит во всех зонах метаморфизма претерпевают перекристаллизацию и превращаются в мрамор. Окраска мрамора разнообразна: белая, розовая, серая, голубая – и зависит от примесей (кварца, полевых шпатов, оливина и др. минералов). Отсюда – неоднородность окраски этих пород. Структура мрамора зернистая. По размеру зёрен эти породы подразделяются на мелко-, средне- и крупнозернистые. Плотность высокая – 2,6…2,8 г/см³. Прочность на одноосное сжатие достигает 100…120 МПа. Долговечность – до 100 лет. Коэффициент истираемости мрамора в машине Лос-Анжелеса (в полочном барабане) составляет 0,25 д.е., что указывает на его среднюю прочность.

Мраморы сравнительно легко выветриваются, особенно при воздействии воды и сернистых газов. Легко поддаются обработке и хорошо полируются. Признаны как отделочные породы. Из-за относительно высокой истираемости мрамор не рекомендуется использовать для покрытия полов и ступеней. Для этих целей лучше подходит мраморобетон.

Кварциты. Кварцевые песчаники в процессе динамометаморфизма переходят в кварциты. Кварциты бывают розовые, серые, желтоватые. Кварцит состоит из кварца с примесями слюды, хлорита и некоторых др. минералов. Одной из разновидностей породы являются железистые кварциты. Они представляют собой тонкослойные породы, в состав которых входят магнетит, гематит и кварц. Кварциты бывают мелко- и среднезернистые. Сланцеватые разновидности носят название кварцитовых сланцев. Их плотность – 2,8…3,0 г/см³. Прочность на сжатие – 120…250 МПа. Кварциты обладают высокой твёрдостью, кислото- и щёлочестойкостью. кварцит обрабатывается с трудом. Хрупок. Отличается пониженной адгезией к минеральным вяжущим материалам. Даёт красивую полированную поверхность. Долговечность кварцита – до 500 лет. Коэффициент истираемости в машине Лос-Анжелеса (в полочном барабане) <0,1 д.е., что характерно только для очень прочных пород.

Кварцит – хороший строительный и облицовочный материал. Применяется при изготовлении абразивов, кислотоупорного и штучного камня, в производстве огнеупорных материалов и изделий. Железистые кварциты являются железной рудой.