Метаморфизм

Метаморфизмом (греч. " метаморфоо " - превращаю) называется процесс, в котором в определенных глубинных условиях, отличающихся от первоначальных условий образования, происходят необратимые изменения в структуре, минеральном и химическом составе горных пород. В результате проявления метаморфизма образуются отличные от исходных (прежних) горные породы, называемые метаморфическими породами.

Главной особенностью процессов метаморфизма является то, что они протекают при сохранении твердого состояния минералов и горных пород – без их полного расплавления. Под воздействием высокой температуры происходит перекристаллизация исходных пород, изменение минерального, а нередко и химического состава. Под влиянием повышенного давления исходная порода приобретает новые текстурные признаки, например, сланцеватость и др.

Главные факторы метаморфизма - высокие температуры и давления, химическая активность воды, углекислоты и других компонентов горячих растворов.

Метаморфические процессы могут быть разной интенсивности – от слабо измененных пород до пород, измененных настолько, что восстановить их первичную природу без специальных исследований невозможно. При усилении степени метаморфизма (т.е. увеличение температуры, давления, концентрации флюидов) происходит изменение или распад неустойчивых в данных условиях минералов на более устойчивые.

Все метаморфические процессы можно разделить по результату изменения пород на 2 группы:

- изохимический процесс - химический состав пород не изменяется;

- аллохимический процесс - химический состав пород изменяется за счет привноса или выноса компонентов.

Фактически метаморфизм отложившихся осадков начинается с самого начала их уплотнения и дегидротации. При этом происходит и ерегрупировка элементов и образование новых минералов. Этот самый первый первый процесс превращения осадка в породу называется диагенез (от гр. диагенезис превращение). Дальнейшие более глубокие изменения происходят в процессе катагенеза, после чего начинается уже собственно метаморфизм.

По комплексу минералов, образующихся из разных исходных пород в процессах метаморфизма выделяются фации метаморфизма, характеризующие глубину формирования и региональный термический градиент. На рисунке 7.1. показано положение различных фаций метаморфизма в координатах температура – давление. По правой оси приведены глубины, отвечающие значениям литостатической нагрузки.

Фации метаморфизма часто обозначаются по названию метаморфических минералов и их парагенезисов, типичных для соответствующих областей термодинамической устойчивости, – гранат-кордиеритовая, гиперстенсиллиманитовая, ставролитовая, андалузитовая, силлиманитовая, кианитовая и др.

Средний радиальный термический градиент земной коры составляет 30÷33⁰С/ км, хотя реально измеренные в локальных участках термические градиенты колеблются в интер­вале от 5÷10 до 200⁰С /км.

Средний радиальный барический градиент обычно вычисляется исходя из усредненной литостатической нагрузки вышележащих толщ. В реальных точках геологического пространства нагрузки на твердую фазу может существенно увеличиваться процессах сжатия, а при растяжении уменьшаться и сохраняться некоторое время, в зависимости от времени релаксации. Флюидное давление может существенно отличаться от давления, под которым находится твердая матрица пород. Таким образом давление, под которым находится твердая матрица пород, зависит не только от нагрузки вышележащих толщ, но и от тектонических процессов, происходящих в данном объеме геологического пространства, усредненные значения полезны для выявления основных тенденций.

Взяв за основу среднюю величину термического градиента и усредненную литостатическую нагрузку вышележащих толщ, получают средний термобарический градиент земной коры 8,5±0,5 бар/град.

По объему пород, подвергшихся метаморфизму, различают 2 типа метаморфизма - региональный и локальный:

- региональный метаморфизм – связан с опусканием горных пород на большую глубину. Он охватывает огромные территории и огромные объёмы вещества. При региональном метаморфизме кварцевые песчаники превращаются в кварциты, известняки – в мраморы; глины и аргиллиты – в филлиты; кристаллические сланцы и гнейсы, базальты и андезиты породы – в амфиболиты; ультраосновные породы – в серпентиниты,

- локальный метаморфизм связан с конкретными геологическими структурами – зонами тектонической трещиноватости, приконтактовыми зонами интрузивных тел – контактный метаморфизм. При локальном метаморфизме образуются такие распространенные породы как тектонические брекчии, мелониты, контактные роговики, скарны.

По направленности изменения температуры и давления различают прогрессивный и регрессивный метаморфизм.

Прогрессивный метаморфизм горных пород происходит под влиянием возрастающих величин Т и Р. При этом породы теряют летучие компоненты, прежде всего Н₂О и СО₂, меняется ее минеральный состав за счет перегруппировки элементов, увеличивается крупность минеральных зерен. Так, если среднее содержание углекислоты в осадочных породах около 8 мас. %, то в метаморфических сланцах оно уменьшается почти в 5 раз, а в гнейсах еще в 2 раза (рис.7.2).

При этом летучие компоненты частично удаляются из породы, частично сохраняются в том же объеме в виде высокоплотного вводно-углекислого флюида, под высоким давлением, достигающим 8 и более тыс. атмосфер (рис.7.3). Этот флюид может сохраняться в породе до тех пор пока порода не приобретет хрупкость и в ней, в результате дальнейшего динамометаморфизма, не возникнут разрывные нарушения. Обычно это происходит уже на стадии регрессивного метаморфизма.

Регрессивный (ретроградный) метаморфизм горных пород происходит при направленном уменьшении параметров Т и Р. Любая интрузивная порода при остывании претерпевает некоторые изменения минерального состава, поскольку парагенетические ассоциации, возникшие в момент кристаллизации, оказываются термодинамически неустойчивыми в условиях более низких Т и Р.

Если при этом не происходит привноса и выноса каких-либо компонентов, то такой процесс называют автометаморфизмом.

Этот процесс проявляется наиболее полно, когда порода достаточно долго находится при параметрах близких к параметрам кристаллизации. При быстром понижении температуры быстро уменьшается скорость диффузии ионов, и порода как бы «замораживается». Любой гранит на поверхности термодинамически неустойчив, и его изменения не происходят только в силу кинетических факторов.

В области регрессивного метаморфизма под воздействием тектонических факторов часто происходят метасоматические (от гр. meta – после, soma -тело) преобразования, в результате которых могут формироваться метаморфогенные и постмагматические месторождения.

Совокупность прогрессивного и регрессивного метаморфизма создают глобальный круговорот вещества в недрах земной коры, а в совокупности с экзогенными процессами глобальный геохимический цикл (рис.7.4), внутри которого совершаются многочисленные циклы меньших порядков.

«История большинства химических элементов в земной коре... характеризуется замкнутыми круговыми процессами» - писал В.И.Вернадский.