Критерии выделения минеральных фаций

Критерием для отнесения метаморфической горной породы к той или иной фации служит наличие ассоциации минералов (ми­нерального парагенезиса), устойчивой при соответствующих Р-Т-Х параметрах. При этом предполагается, что скорость метаморфи­ческих реакций выше скорости тепло- и массообмена, так что если в больших объемах пород Т, Р и X меняются во времени и простран­стве, то на каждом локальном участке быстро устанавливается рав­новесие или устойчивое метастабильное состояние, которое соот-

Часть ГУ. Петрография и петрология метаморфических горных пород

ветствует максимальной температуре, достигнутой в ходе прогрес­сивного метаморфизма. Обратимые ретроградные изменения огра­ничены лишь областью очень высоких температур или обусловле­ны взаимодействием твердых горных пород с относительно низкотемпературной флюидной фазой. Геологический опыт пока­зывает, что эти допущения, известные как принцип мозаичного рав­новесия, близки к условиям, в которых развиваются природные ме­таморфические процессы.

Максимальная температура прогрессивного метаморфизма нагре­вания может быть определена по появлению или исчезновению от­дельных характерных минералов (индекс-минералов). Такой подход впервые был применен в конце XIX века английским геологом Бар­роу при изучении метаморфических комплексов Шотландии. В ме-таосадочных породах этого региона им были вьделены хлоритовая, биотитовая, альмандиновая, ставролитовая, кианитовая и силлима-нитовая зоны, которые последовательно сменяют друг друга с юга на

север вследствие повышения максимальной температуры метаморфизма в этом направ­лении. Границы между зона­ми, которые проводились по первому появлению того или иного относительно высоко­температурного минерала, были названы изоградами (би­отитовая, альмандиновая изограды и т.п.). Карты изо-град дают наглядное пред­ставление о распределении температур в процессе про­грессивного метаморфизма (рис. 3.1). Однако появление или исчезновение отдельных индекс-минералов не может служить строгим критерием для отнесения метаморфиче­ских пород к той или иной фации.

Как показывают термо­динамические расчеты и ре-

3. Классификация метаморфических горных пород

зультаты экспериментов, любой минерал, взятый изолированно, ус­тойчив при более высоких Р- Т параметрах по сравнению с полими­неральными парагенезисами, в которые входит данный минерал. Другими словами, область устойчивости того или иного минерала сильно зависит от присутствия других твердых и флюидных фаз, принимающих участие в метаморфических реакциях.

Например, равновесие:

мусковит + кварц ↔ ортоклаз + силлиманит + Н₂О

достигается при более низкой температуре, чем равновесие:

мусковит ↔ ортоклаз + корунд + Н₂О.

Поэтому в кварцсодержащих породах калиевый полевой шпат появляется при более низкой температуре, чем в бескварцевых по­родах, и калишпатовая изограда на участках, сложенных теми и дру­гими породами, соответствует разным температурам.

При прогрессивном нагревании пород метаморфические реак­ции чаще всего сводятся к дегидратации и декарбонатизации. Тем­пература этих реакций зависит от способа удаления Н₂О или СО₂ (см. раздел 1.1). Если флюидная фаза сохраняется в области мета­морфизма и Р_Н20(С02) = Р_лит, то температура устойчивости гидро-ксилсодержащйх минералов и карбонатов достигает максимума (см. рис. 1.2). Если же флюид мигрирует в область меньшего давле­ния и Р _Н20(С02)= const < Р_лит, то температура устойчивости тех же минералов понижается. Таким образом, температура изоград силь­но зависит от флюидного режима метаморфизма.

Многие минералы, принимающие участие в метаморфических реакциях, являются твердыми растворами переменного состава, которые в зависимости от соотношений компонентов устойчивы при разных Р-Т-Х условиях. В частности, минеральные равнове­сия во многом определяются относительными количествами Fe и Mg в цветных минералах, большей или меньшей примесью Ti в них, а устойчивость слюд и амфиболов зависит от пропорций между анионами ОН^- и F^-. Вследствие этого изограда трансформи­руется в достаточно широкий интервал температур.

Кроме Р— Т-Х условий истинного термодинамического равно­весия существуют обширные области температур и давлений, в ко­торых минералы сохраняют метастабильную устойчивость. В каче­стве примера рассмотрим равновесия между полиморфными модификациями Al₂Si0₅: андалузита, силлиманита и кианита (рис. 3.2). Эти равновесия могут служить хорошим инструментом для определения условий метаморфизма высокоглиноземистых

58J

Ч асть IV. Петрография и петрология метаморфических горных пород____

глинистых пород, по­скольку все три мине­рала встречаются в них достаточно часто. Од­нако при эксперимен­тальном определении Р— Т условий инвари­антного равновесия кианита, силлиманита и андалузита получе­ны ошеломляюще раз­ные результаты. В опытах, выполнен­ных разными исследо­вателями, температура тройной точки варьи­рует от 300 до 650°, а давление от 200 до

1200 МПа. Эти расхождения обусловлены метастабильной устойчи­востью отдельных фаз при разных температурах и давлениях, нали­чием небольших примесей железа и тонкими различиями в строе­нии кристаллической решетки минеральных фаз. Наиболее точные значения Т и Р инвариантного равновесия отвечают 501°С и376Мпа.

Кроме того, как было показано Р.Х.Верноном [1980], в при­родных условиях реакции между полиморфными модификациями Al₂Si0₅ протекают не путем псевдоморфного замещения одного минерала другим, а через серию промежуточных циклических ре­акций с участием других фаз, например:

3 кианит + 3 кварц + 2К+ + ЗН₂О ↔ 2 мусковит + 2Н+;

раствор раствор

2 мусковит + 2Н+ ↔ 3 силлиманит + 3 кварц + 2К⁺ + ЗН₂О;

3 кианит ↔3 силлиманит.

Возможны и более сложные циклические реакции с участием биотита, альбита, а также ионов Mg, Fe, Na, растворенных в водном флюиде. Р-Т условия протекания этих реакций существенно отли­чаются от фазовых соотношений в системе Al₂Si0₅.

Важное значение имеет кинетика метаморфических реакций. Скорость, механизм и температура протекания реакций зависят от способа взаимодействия твердых фаз между собой, твердых фаз

3. Классификация метаморфических горных пород

и флюида, каталитического влияния тех или иных компонентов и фаз. Все это делает определение границ между метаморфически­ми фациями достаточно сложной задачей, решение которой требу­ет комплексного подхода и не сводится к выделению изоград по ин­декс-минералам. Более строгим критерием служит смена полиминеральных парагенезисов с учетом многих осложняющих об­стоятельств. Вместе с тем картирование изоград остается эффектив­ным методом полевого изучения метаморфических пород, и при ра­зумном подходе карты изоград могут служить источником ценной информации о развитии метаморфических процессов.

3.3. Введение в парагенетический анализ. Диаграммы «состав-парагенезис»

Выделение минеральных фаций требует специального изуче­ния устойчивых парагенезисов минералов, слагающих метамор­фические горные породы. Это направление исследований включа­ет детальные петрографические наблюдения под микроскопом, определение состава кристаллических фаз с помощью микроанали­заторов, термодинамический расчет минеральных равнове­сий, экспериментальные рабо­ты. Для графического изобра­жения результатов применяют диаграммы «состав—параге­незис», которые отражают взаи­мосвязь между валовым хими­ческим составом породы и минеральными ассоциация­ми, устойчивыми в условиях той или иной фации метаморфизма. Для этого используют равносто­ронний или прямоугольный треугольники, вершины кото­рых соответствуют 100%-ным содержаниям компонентов a, b и с (рис. 3.3). Если а + b + с= 100%, то на сторонах треугольника и внутри него

Часть ГУ. Петрография и петрология метаморфических горных пород_____

можно показать в виде точки состав любого минерала, состоящего из a b и с. При этом пропорции a,b и с должны быть выражены в мо­лекулярных процентах - долях от общего числа молекул, т.е. в ви­де отношений молекулярного количества a, b или с к сумме а+b+с. Таким образом, если на диаграммах состояния физико-химических систем составы фаз представляются в массовых процентах компо­нентов, то на диаграммах «состав-парагенезис» — в молекуляр­ных процентах.

Для каждой метаморфической фации характерны определенные устойчивые ассоциации (парагенезисы) минералов. Если составы всех этих минералов нанести на треугольник и затем соединить точки непересекающимися линиями — коннодами, то треугольная диаграмма «состав-парагенезис» будет разделена на несколько ма­лых треугольников, отвечающих тому или иному минеральному парагенезису. Точка, соответствующая химическому составу ис­ходной породы, попадает в один из малых треугольников, который характеризует минеральный парагенезис, относящийся к данной фации метаморфизма. Сравнивая диаграммы «состав—парагене­зис», построенные для разных фаций, можно наглядно проследить изменение минерального состава породы в ходе метаморфизма.

Реальные горные породы состоят более, чем из трех компонен­тов. Поэтому для изображения минеральных парагенезисов на тре­угольной диаграмме необходимы упрощения: часть компонентов следует исключить из рассмотрения, а другие — объединить в более сложные петрохимические параметры. На диаграммы «состав-па­рагенезис» обычно не наносят компоненты, которые образуют чи­стые фазы, например, SiO₂ в кварце или TiO₂ в рутиле, а также те компоненты, химический потенциал которых контролируется внешними факторами, например, Н₂О. Если компонент входит в состав только одного минерала (Р₂О₅ в апатите, Na₂O в альбите и т.п.), то его тоже можно исключить из рассмотрения и не наносить состав соответствующей кристаллической фазы на диаграмму. При построении диаграмм «состав-парагенезис» не учитываются также элементы-примеси (Ва, Sr и др.). Наконец, если та или иная кристаллическая фаза входит во все минеральные ассоциации, ее со­став не наносится на треугольник, и эта фаза указывается отдельно как общий элемент всех парагенезисов.

При парагенетическом анализе применяются различные треу­гольные диаграммы. До сих пор используют, например, диаграммы ACF и A′KF, предложенные в свое время П.Эскола.

3. Классификация метаморфических горных пород

Диаграмма АCF учитывает соотношения между следующими компонентами:

А = А1₂О₃ + Fe₂O₃ - (Na₂0 + K₂,O);

С=СаО;

F= FeO + MgO + MnO.

Щелочные полевые шпаты исключаются из парагенезисов, и ко­личество А1₂О₃, связанное с Na₂O и К₂О в альбите и анортите, вы­читается из общего количества глинозема. Кварц рассматривается как избыточная фаза, входящая во все парагенезисы. Составы ми­нералов, которые можно показать на диаграмме A CF, перечислены в таблице 3.1. Составы слюд и амфиболов можно показать, лишь учитывая пропорции компонентов, входящих в А, С и F.

Диаграмма A CF удобна для наглядного представления мине­рального состава метаморфизованных базитов-ультрабазитов и кар­бонатных пород, но мало пригодна для парагенетического анали­за метаосадочных и других пород, в которые входят цветные минералы с переменным количеством Fe и Mg, поскольку оба этих компонента объединяются в параметре F.

Диаграмма A 'KF основана на несколько иной комбинации па­раметров:

А'= А1₂О₃ + Fe₂O₃ - (Na₂O + K₂O + СаО);

К= К₂О;

F= FeO + MgO + MnO.

Эта диаграмма может быть использована для графического пред­ставления минеральных парагенезисов в породах, бедных извес­тью. Для того, чтобы более точно изобразить минеральный состав таких пород, например, метаморфизованных глинистых осадков, следует использовать тетраэдр AFMK, где А = А1₂О₃; F= FeO, М = MgO, K= K₂O. Часто вместо тетраэдра показывают проекцию на одну из его сторон, например, АРМ, из точки, отвечающей соста­ву избыточной фазы (мусковита, ортоклаза и др.).

Следует подчеркнуть, что метод построения ACF, A 'KF ианало­гичных им диаграмм часто противоречит термодинамическому пра­вилу фаз, и с их помощью можно лишь иллюстрировать парагене-тические соотношения между минералами, установленные каким-либо независимым способом, например, путем термодина­мических расчетов или петрографических наблюдений. Однако при всем несовершенстве треугольные диаграммы «состав-параге­незис» удобны для анализа смены парагенезисов при переходе от од­ной минеральной фации к другой, а также для оценки равновесия

___ Часть ГУ. Петрография и петрология метаморфических горных пород___

Таблица 3.1. Доля компонентов А, С, F (мол.%) в некоторых минералах из метаморфических пород

наблюдаемых минеральных ассоциаций. Общее правило заключа­ется в том, что составы минералов, образующих равновесные пара-генезисы, не должны разделяться коннодами (см. рис. 3.3)

3.4.