Лекция 10. Метаморфизм

С тектоническими движениями земной корм, с внедрением магмы связаны сложные процессы метаморфизации горных пород. Под метаморфизмом понимается «всякое изменение и преобразование горных пород, происходящее под влиянием изменившихся физико-химических условий после образования этих пород под влиянием эндогенных сил» (Кузнецов, 1956). Основными определяющими факторами в этих изменениях являются: 1)давление — вес вышележащих пород; 2) высокая температура и 3) химически активные и весьма подвижные вещества (растворы и газы). При соответственной физико-химической обстановке метаморфизации подвергаются все горные породи — осадочные, магматические и ранее образованные метаморфические. При этом происходит частичная или полная перекристаллизация их, изменяется структура и текстура пород, а в ряде случаев и минеральный состав. Эти изменения горных пород происходят при твердом состоянии вещества, без перехода в жидкую фазу.

Как было уже отмечено, температура с глубиной закономерно нарастает. Повышение температуры ослабляет связь между атомами в минералах, увеличивает растворяющее действие воды, повышает химическую активность многих соединений. Кроме того, при повышении температуры резко увеличивается интенсивность процессов перекристаллизации. Температурный интервал, в пределах которого происходят типичные метаморфические преобразования, согласно данным Соболева В.С. заключен между 300 - 1000°С. Ниже температуры 300°С вследствие резкого падения скорости химических реакций метаморфические превращения почти не происходят или совершаются крайне медленно; выше температуры 1000°С начинается плавление наиболее распространенных горных пород и начинаются процессы образования магмы.

Повышение температуры может быть связано с рядом геологических процессов: погружение горных пород на глубину; температурным воздействием остывающей магмы; теплопотоками из глубин Земли; теплогенерацией, связанной с силами трения при тектонических движениях.

В качестве примера можно привести окись кремния, которая в условиях нормальной температуры и давления не способна к химическим соединениям. При повышении же температуры она приобретает свойства химически деятельной кислоты и, взаимодействуя с другими горными породами, образует ряд соединений, устойчивых в новой физико-химической обстановке, что отчетливо проявляется, например, в зоне контакта осадочных карбонатных пород с магматическими интрузивными телами. Процесс заходит так далеко, что карбонаты могут быть преобразованы в силикаты.

Давление, быстро увеличивающееся с глубиной от нагрузки вышележащих пород, также играет большую роль в процессах метаморфизма. Уже на глубине 10 км давление достигает таких величин (около 2600 атм), при которых в лабораторных условиях и при одностороннем давлений раздавливаются самые прочные породи. Увеличение давления повышает растворимость веществ и способствует перегруппировке элементарных частиц.

Различают воздействие геосатитческого давления, которое создается массой вышележащих толщ горных пород, и направленного давления (стресса), вызываемого тектоническими движениями.

Геостатическое давление способствует реакциям, идущим с сокращением объема твердой фазы, и приводит к образованию минералов с более плотной упаковкой (и большей плотностью). Кроме того, геостатическое давление вызывает повышение температуры плавления минералов, расширяя тем самым интервал температурных преобразований в твердой фазе. В условиях всестороннего давления формируются породы с однородной массивной структурой.

Направленное давление возникает в результате тектонических движений, при которых перемещаются крупные блоки земной коры,проявляется в деформации пород и приводит к изменению их структурно-текстурных особенностей. Под влиянием направленного давления минералы в породе приобретают закономерную ориентировку, располагаясь своими длинными осями и плоскостями спайности перпендикулярно к направлению давления. При этом формируются так называемые сланцевые текстуры, характерные для обширной группы метаморфических пород – сланцев. Кроме того, стресс оказывает каталитическое воздействие на процессы минералообразования, ускоряя или замедляя их, и, вызывая раздробление пород повышает их фильтрационные свойства, что способствует циркуляции метаморфизирующих растворов.

Изменения геостатического и направленного давления с глубиной неодинаковы. Если геостатическое давление увеличивается с глубиной залегания горных пород, то направленное давление, наоборот, ослабевает. Величина давления определяется не только массой вышележащих толщ пород, но и процессами направленного сжатия, которые вызывают увеличение давления на относительно небольших глубинах.

Давление способствует тому, что при достаточно высоких температурах вода остается в жидком состоянии и способна переносить химически активные соединения, участвующие в процессе метаморфизма. Изменение давления смещает химические реакции в ту или иную стороны.

При действии только повышенной температуры и давления метаморфизация горных пород протекает без изменения валового химического состава, т. е. без привноса каких-либо новых веществ. Иная картина наблюдается, когда метаморфизация пород связана с внедрением магмы. Здесь, помимо других факторов, большое значение приобретают химически активные вещества (вода, углекислый газ, соединения натрия, хлора, фтора, серы и т.д.), которые, в виде растворов сложного состава проникая в толщу земной коры, вызывают в горных породах самые различные изменения. При этом осуществляются сложные реакции газообразных веществ и гидротермальных растворов с горными породами и процесс метаморфизации сопровождается изменением валового химического состава пород. Метаморфизирующие растворы имеют глубинное происхождение. Их источниками могут служить магматические растворы, отделяющиеся при остывании магмы, нагретые подземные воды с растворенными в них химическими соединениями.

В целом под метаморфизмом понимается изменение горных пород под воздействием различных агентов эндогенного происхождения: внутреннее тепло Земли, высокое давление, тектонические перемещения вещества, глубинные минеральные источники и газы.

В зависимости от преобладания тех или иных факторов, вызывающих изменения в горных породах, следует различать несколько типовметаморфизма:

1) контактовый метаморфизм;

2) региональный метаморфизм;

3) динамометаморфизм, или дислокационный метаморфизм.

Контактовый метаморфизм непосредственно связан с внедрением магмы в земную кору. Вмещающие породи испытывают при этом со стороны магмы воздействия различного характера. Прежде всего благодаря высокой температуре внедрившегося магматического расплава возникают процессы перекристаллизации, которые могут затронуть в той или иной мере все минералы. Одновременно горные породи испытывают сильное воздействие со стороны газов и паров воды, выделяющихся из магмы, что ведет к химической перестройке многих минералов осадочной толщи.

Контактовый метаморфизм обычно бывает приурочен к сравнительно узкой зоне непосредственного соприкосновения интрузивных тел с вмещающими породами, к так называемым контактовым ареалам; ширина последних зависит от размера интрузии, состава внедрившейся магмы и глубины внедрения. Чем крупнее интрузия, тем большее количество тепловой энергии приносит она с собой и тем шире ареалы контактовых эффектов. Внедрение кислых магм, богатых летучими компонентами (минерализаторами), повышает интенсивность метаморфизма вмещающих пород и ведет к более широким контактовым ареалам, чем при внедрении магм другого состава.

Характер контактовых изменений во вмещающих породах связан с составом последних. Песчано-глинистые породы при метаморфизации переходят в роговики, обладающие плотным зернистым строением и состоящие из кварца, слюды (главным образом биотита), андалузита.

В карбонатных породах, известняках и доломитах, в контактовой зоне большое значение приобретают процессы метасоматоза, протекающие при воздействии подвижных постмагматических растворов. В результате обычные осадочные карбонатные породы превращаются в скарны — породы переменного состава, состоящие в основном из известково-железистых силикатов. Со скарнами бывают связаны различные рудные месторождения — железные, медные, свинцово-цинковые, вольфрамовые и др. Иногда целые пласты известняка замещаются рудами, местами же рудные минералы образуют лишь вкрапленники. Типичным рудным минералом контактовой зоны является магнетит.

Изменения в контактовых зонах наблюдаются не только во вмещающих породах, но и внутри самих магматических пород интрузий, что указывает на взаимодействие магматического расплава с окружающими породами и поступление в магму посторонних веществ. Магматические породы в этом случае обогащаются не свойственными им минералами, и этот процесс получил наименование контаминации.

Контактовые процессы, протекающие в породах, окружающих интрузивное тело, называют экзоконтактовыми, а внутри магматических пород — эндоконтактовыми.

Изменение горных пород происходит также при воздействии высокотемпературных растворов, образующихся путем конденсации водяных паров магмы и несущих с собой различные компоненты. Указанный процесс изменения называют гидротермальным метаморфизмом. С гидротермальными растворами связано образование различных жил в трещинах горных пород и приуроченных к ним ряда ценных полезных ископаемых. Часто гидротермальный метаморфизм связан с пневматолитовым. Примером может служить грейзен — пневматолитово-гидротермальная измененная порода кислого состава, в которой полевые шпаты под воздействием перегретых растворов и газообразных компонентов разлагаются и за счет них образуются кварц и слюда.

Важные случаи гидротермального метаморфизма наблюдаются в связи с рудными жилами, образующими месторождения металлов или неметаллических ископаемых. Окружающие жилу породы в этом случае претерпевают различные изменения, например: окварцевание (обогащение породи кварцем), хлоритизацию (образование хлоритов путем метасоматического замещения первоначальных минералов); серицитизацию (обогащение серицитом за счет полевошпатовых или глинистых минералов), карбонатизацию, оталькование, серпентинизацию и др.

Характерным признаком контактового метаморфизма является зональность в интенсивности и содержании контактовых изменений. Так, Г. Розенбуш выделял три зоны контактового метаморфизма: внутреннюю, роговиковую; среднюю, слюдяно-сланцевую; и внешнюю — филлитовую. Конечно, границы между зонами условны, но в целом ареал контактовых изменений вокруг магматического очага обнаруживается с определенностью.

Динамометаморфизм, или дислокационный метаморфизм, связан с тектоническими движениями земной кори, вызывающими процессы складкообразования и разрывные нарушения. Изменение горных пород происходит главным образом в верхней части земной корм под влиянием одностороннего давления, определенно ориентированного — так называемого стресса. При динамометаморфизме изменяется структура горных пород. Старые структуры разрушаются, возникают новые с ясно выраженной ориентировкой минералов. Хрупкие (при данных условиях температуры и давления) минералы раздробляются, истираются, развальцовываются, пластичные (при тех же условиях) минералы деформируются с образованием сложных полисинтетических двойников. В некоторых минералах перестраивается кристаллическая решетка и изменяется ориентировка оптических осей. Изучение ориентировки минералов позволяет судить о направлений действующих сил и помогает в решении некоторых вопросов тектоники.

Внешним выражением воздействия динамометаморфизма на породу служит, в частности, сланцеватость: порода приобретает способность раскаливаться на тонкие плитки, что вызвано появлением в породе либо очень мелких, но однообразно ориентированных трещин, либо определенной ориентировкой минеральных зерен. Последняя, так называемая кристаллизационная сланцеватость, служит важным признаком сильного проявления динамометаморфизма. Действительно, кристаллизационная сланцеватость говорит о том, что минералы, слагающие породу, приобрели однообразную ориентировку под влиянием давления при перекристаллизации, проходившей на фоне интенсивных тектонических подвижек. Различают плоскостную сланцеватость, линейную сланцеватость, линзовидную сланцеватость.

Динамометаморфизм может проявляться не только в перекристаллизации породы, в сланцеватости и т. п., но также и в дроблений пороыди, в разрушении минералов. Такой тип изменении получил наименование катакластического динамометаморфизма. Горные породи, несущие следи дробления, называются катакластическими, например катакластические песчаники, катакластические граниты и др. При сильном дроблении порода превращается в брекчию с угловатыми обломками. При еще более значительном измельчении породи и сильном истирании частиц образуются светлые рассланцованные породы, называемые милоцитами. Горные породы, несущие признаки динамометаморфизма, обьединяются под общим названием тектониты.

Региональный метаморфизм. Контактовый метаморфизм носит местный характер, связан с тем или иным внедрением магмы. Динамометаморфизм связан с тектоническими явлениями и отражает план тектоники данного района. В отличие от них, выделяют так называемый региональный метаморфизм, под которым понимают глубиннй метаморфизм, проявляющийся на огромных площадях вне явной зависимости от наличия или формы интрузии, от местной тектонической обстановки и захватывающий самые разнообразные горные породы.

Пример такого метаморфизма дают породы Украинского кристаллического массива, Балтийского щита, а также массивы центральных частей различных горных сооружений. Региональный метаморфизм связан с подвижными зонами земной коры — геосинклиналями. В геосинклиналях, испытывавших в течение длительного времени погружение, мощные толщи осадочных горных пород опускались на значительную глубину и оказывались в зоне высокого петростатического давления и высокой температуры. Под влиянием этих факторов они перекристаллизовывались, переходили в различные кристаллические сланцы, гнейсы и другие метаморфические горные породы. Особенно это касается древнейших, архейских и протерозойских толщ, накапливавшихся в то время, когда Земля обладала большим запасом тепла и геотермический градиент в земной коре был значительно большим, чем теперь. Интересно, что втом случае, если породы, испытавшие региональную метаморфизацию в глубоких зонах Земли, впоследствии, в результате тектонических движений, снова оказываются близ поверхности Земли, то в их составе вновь появляются минералы, характерные для более низких температур и давлений. Подобное явление называется регрессивным метаморфизмом, или диафторезом.