Механизм формирования структур и текстур метаморфических пород

Образование новых кристаллов в метаморфических породах ре­гулируется соотношениями между скоростями возникновения за­родышей и последующего их роста. Если для появления зародыша кристалла в расплаве необходимо некоторое переохлаждение отно­сительно термодинамически равновесной температуры ликвиду­са, то при перекристаллизации твердой породы новая кристалличе­ская фаза возникает после некоторого перегрева относительно термодинамического равновесия. При этом нуклеация (образова­ние зародышей) в метаморфических породах всегда бывает гетеро­генной, т.е. зародыши кристаллов наследуют неоднородности, ра­нее существовавшие в породе.

Чем больше перегрев, при котором начинается перекристал­лизация, тем выше скорость нуклеации. Поэтому, например, во вну­тренней зоне экзоконтактового ореола вокруг интрузивного тела формируются более мелкозернистые метаморфические породы, чем во внешней зоне, испытавшей меньший нагрев. Важным фак­тором, определяющим скорость роста зародышей, являются де­формации горных пород. Чем интенсивнее деформация, тем при прочих равных условиях больше образуется новых центров кристал-

2. Состав и строение метаморфических горных пород

лизации. В связи с этим породы дислокационного метаморфизма обычно обладают мелко- и тонкозернистыми структурами.

Увеличение размеров кристаллических зародышей определя­ется: 1) скоростью диффузии, посредством которой перемещаются компоненты, расходуемые на построение кристалла; 2) скоростью реакций на границе растущего кристалла, которые приводят к об­разованию химического соединения, отвечающего по составу кри­сталлу; 3) скоростью приращения кристаллической структуры на гранях и ребрах кристалла и, наконец, 4) скоростью удаления теп­ла кристаллизации и примесей, не входящих в кристалл. Та из пе­речисленных скоростей, которая оказывается минимальной, кон­тролирует темп роста кристалла.

Поскольку в процессе метаморфизма кристаллы растут не изо­лированно, а все время испытывают влияние соседних зерен, то структура породы определяется не только соотношениями ско­ростей нуклеации и роста отдельных индивидов, но и стремлением к возникновению равновесных минеральных агрегатов, обладающих минимальной поверхностной энергией. В ходе перекристаллизации грани кристаллов, обладающие большей поверхностной энергией, уменьшаются и исчезают, а грани с меньшей энергией разрастают­ся; равновесие устанавливается на такой стадии, когда общая по­верхность минеральных зерен в агрегате достигает величины, соот­ветствующей минимуму свободной энергии.

Идиоморфные кристаллы обладают большей поверхностной энергией, чем ксеноморфные, и баланс в агрегате достигается при оптимальном сочетании тех и других. Поскольку поверхностная энергия кристаллов разного состава неодинакова, степень идио­морфизма минералов в метаморфических породах уменьшается в последовательности, соответствующей кристаллобластическому ряду (по [Philpotts, 1990]):

1) магнетит, рутил, сфен, пирит;

2) силлиманит, кианит, гранат, ставролит, турмалин;

3) андалузит, эпидот, цоизит, форстерит, лавсонит;

4) амфибол, пироксен, волластонит;

5) слюда, хлорит, тальк, пренит, стильпномелан;

6) кальцит, доломит, везувиан;

7) кордиерит, полевой шпат, скаполит;

8) кварц.

Минерал, занимающий более высокую строку в этом ряду, об­разует идиоморфные грани по отношению к минералу, расположен-

Часть ГУ. Петрография и петрология метаморфических горных пород_____

ному в более низких строках. Следует подчеркнуть, что степень идиоморфизма минералов в метаморфических породах ни в коей мере не указывает на последовательность кристаллизации. Все ми­нералы равновесного парагенезиса образуются одновременно, и фор­ма отдельных зерен целиком определяется кинетическими факто­рами и стремлением к минимуму поверхностной энергии агрегата

кристаллов.

Если метаморфическая порода сложена изометричными зер­нами с близкими поверхностными свойствами, то самым равновес­ным является агрегат с тройными сочленениями граней, располо­женных под углом 120°. Такие сочленения, обеспечивающие минимум поверхностной энергии, характерны для многих мета­морфических пород с гранобластовой структурой. Сочленение пло­ских граней под углом 120° возможно лишь для кристаллов гекса­гональной сингонии. Грани кристаллов других сингоний при таком сочленении должны быть выпуклыми или вогнутыми. Кривизна граней, в свою очередь, определяет появление градиентов давления на границах зерен. Поскольку давление со стороны зерна с большим радиусом кривизны превосходит давление со стороны зерна с мень­шим радиусом, то равновесие достигается путем роста крупных зе­рен за счет исчезновения малых, т.е. в процессе перекристаллиза­ции структура становится более крупнозернистой. Эта тенденция характерна для многих метаморфических пород.

Ориентированные текстуры возникают в том случае, когда кри­сталлы растут в условиях неравномерного давления, при котором растягивающие и сжимающие напряжения в разных направлениях неодинаковы. Скорость роста кристаллов в направлении макси­мального сжатия (σ,) оказывается меньше, чем в направлении мак­симального растяжения (σ₂), так что зародыши листоватых минера­лов, в которых ось [001] параллельна σ₁, растут вдоль осей [100] и [010] быстрее, чем зародыши, имеющие иную ориентировку. В ре­зультате возникает сланцеватая текстура с преимущественным рас­положением чешуек слюды или других листоватых минералов па­раллельно σ₂

Другой механизм образования ориентированных текстур связан с растворением минералов в межзерновом флюиде в направлении максимального сжатия и выпадением этого же минерала из рас­твора в направлении растягивающих напряжений. Например, изо-метричные зерна кварца, растворяясь в направлении σ_{1 ;} и разраста­ясь в направлении σ₂ превращаются в тонкие параллельные линзы.

2. Состав и строение метаморфических горных пород

Перекристаллизация в обстановке неравномерного давления приводит к ориентированному расположению не только листо­ватых или вытянутых кристаллов, но и минеральных зерен изоме-тричной формы. Специальные микроструктурные исследования показывают, что преимущественная кристаллографическая ори­ентировка проявлена в зернах кварца, оливина и других минералов. В этом можно убедиться, положив на столик микроскопа шлиф метаморфической породы и введя компенсатор. Однотипное изме­нение интерференционной окраски будет наблюдаться в большин­стве зерен того или иного минерала, следовательно, оси индикат­рисы и кристаллографические оси вытянуты в одном направлении или в одной плоскости.

Появление в метаморфических по­родах особенно крупных кристаллов (порфиробластов) свидетельствует о малой скорости образования заро­дышей и высокой скорости последу­ющего роста данного минерала. Ме­ханизм образования порфиробластов включает как диффузионный массо-обмен с замещением одних минералов другими, так и механическое завоева­ние пространства в процессе роста. Важную информацию об условиях кристаллизации несут многочислен­ные мелкие включения, которые со­храняются внутри порфиробластов или образуются одновременно с ними как продукты одной и той же метамор­фической реакции (рис. 2.5). Такие включения часто трассируют реликты сланцеватости, существовавшей до по­явления порфиробластов. Нередко ре­ликты ориентированы под углом к окружающей сланцеватости (рис. 2.6, а) вследствие вращения порфиробласта после того, как он был образован. Наблюдаются и более сложные гелицитовые струк­туры с изгибами реликтовых полос внутри порфиробластов (рис. 2.6, 6), отражающими пластические деформации метаморфи­ческих пород во время и после образования крупных кристаллов. Изогнутые скопления включений в порфиробластах обычно описы-

Рис. 2.6. Линзообразно-полосчатые включения кварца в порфиробласте граната, ориентированные под углом к сланцеватости в основной ткани по­роды (а), и изгибы полос кварца в порфиробласте граната (б), возникшие в результате его вращения при пластической деформации.

вают как текстуру снежного кома, хотя, как заметил А.Филпоттс [Philpotts, 1990], более близкой аналогией являются спагетти, намо­танные на вилку. Вследствие малой скорости диффузии в кристал­лических фазах порфиробласты переменного состава, например, крупные зерна граната обладают зональностью, которая использу­ется как индикатор изменения Р- Т-X условий метаморфизма.

Если порфиробласты растут в обстановке неравномерного дав­ления, то в направлении минимального сжатия или максимально­го растяжения (σ₂) появляются характерные линзообразные обособ­ления, обычно заполненные кварцем, что обусловлено растворением этого минерала в направлении максимального сжа­тия σ₁ и его отложением в направлении σ₂.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ

МЕТАМОРФИЧЕСКИХ

ГОРНЫХ ПОРОД