3.3 Локальные типы аллохимического метаморфизма (метасоматоза)

3.3.1 Метасоматоз

Метасоматоз - метаморфизм, который сопровождается изменением химического и минерального состава породы и протекает с участием флюидной фазы.

По В.А. Жарикову (1998), это процесс преобразования горных пород и руд путём замещения одних минералов другими, сопровождающийся изменением их химического состава под воздействием флюидов или летучих компонентов, связанных с эндогенными процессами Земли.

Термин «метасоматоз» или «метасоматизм» был предложен в середине 19-го века К.Ф. Науманном для объяснения механизма образования псевдоморфоз. Позднее это понятие было перенесено на горные породы. В теоретическом изучении процессов метасоматоза большую роль сыграли труды В. Лингрена, А.Н. Заварицкого, В.Эммонса, Н.И. Наковника, Д.С. Коржинского, В.А. Николаева, В.А. Жарикова, Ю.В. Казицина и других учёных. Особенно необходимо подчеркнуть роль Д.С. Коржинского, его многочисленных учеников и советской геологической школы в целом.

Главным фактором метасоматоза служат химические потенциалы летучих компонентов (μ₁, μ ₂… μ _n), в первую очередь, воды, углекислоты, а также температура, в меньшей степени давление.

Летучие компоненты или флюиды не только оказывают каталитическое воздействие на ход метаморфических реакций, но и являются активным и мощным самостоятельным агентом метаморфизма, носителем вещества и тепла. По своему происхождению, в пером приближении, среди них можно выделить три группы:

1.Ювенильные флюиды. Это летучие компоненты, которые поступают из внешнего ядра Земли в мантию и земную кору. Как было показано в разделе «Факторы метаморфизма», по мере подъема они конденсируются в воду, содержащую рудные компоненты.

2.Магматогенные флюиды - это летучие компоненты, которые отделяются от магматических масс в ходе их кристаллизации – в процессе магматической дистиляции. Температура глубинных летучих компонентов в момент отделения от магмы примерно соответствует её температуре - 1900-650^ОС. При этих температурах летучие компоненты представляют собой надкритическую, сильно сжатую и перегретую фазу, главным образом, воды и углекислоты с растворёнными в ней химическими элементами. Эта фаза имеет тенденцию перемещаться из зон высокого в зоны пониженного давления. Удаляясь от магматического тела, она постоянно охлаждается и переходит в гидротермальный раствор.

3. Метеорные воды и флюиды. Источником метеорных флюидов и вод является, главным образом, гидросфера и поровые растворы осадочных пород. С точки зрения механизма перемещения флюидов различают два вида метасоматоза: инфильтрационный и диффузионный.

Инфильтрационный метасоматоз совершается в процессе свободного течения флюидной фазы по трещинам, зонам дробления, зонам тектонических нарушений.

Диффузионный метасоматоз осуществляется за счёт миграции компонентов путём диффузии в поровых растворах. Тонкие плёнки, облекающие зёрна минералов в горной породе, благоприятствуют переносу химических компонентов.

Проникая по трещинам, порам и межзерновым промежуткам, растворы вступают в химические реакции со старыми минералами горных пород. В результате на месте старых минералов возникают новые, обогащенные теми компонентами, которыми был насыщен раствор. Процесс носит название метасоматоза, а горные породы, образующиеся при этом, называются метасоматитами. Характерной особенностью этих метаморфических пород является существенное, иногда полное преобразование химического состава первичных пород с совмещением процессов растворения и осаждения, в ходе привноса и выноса химических компонентов. Объем породы в ходе метасоматического замещения остаётся постоянным (правило Линдгрена). По В.А. Николаеву, правило фаз Гиббса для метасоматических процессов открытых и закрытых систем имеет вид:

W=К+2- (для полностью открытых систем),

W=(К–К₁)+2 (для частично открытых систем),

W=К+2 (для закрытых систем),

где К - число компонентов; К₁ - число инертных компонентов;

- число фаз; W – вариантность системы.

По В.А. Жарикову общий поток вещества, протекающий через элементарный объём горной породы, будет состоять из нескольких потоков:

I_s=I^inf +I^dif +I ^T +I^kin,

где I_s - общий поток; I^inf - поток инфильтрации; I^dif - поток диффузии; I ^T - поток, связанный с разностью температур; I^kin - поток, связанный с кинетикой (скоростью) реакции.

Интенсивность метасоматических процессов, с одной стороны, определяется интенсивными факторами – химическим составом летучих компонентов, их температурой и давлением. С другой стороны, она зависит от экстенсивных факторов – количества летучих компонентов и проницаемости вмещающих пород, которые должны быть достаточно проницаемыми и пористыми, чтобы летучие компоненты были способны «промыть» их определённый объём.

Проницаемость горных пород выражается величиной Q:

Q=K_пр ,

где Q - расход газа или жидкости, К_пр- коэффициент проницаемости.

К_пр = - градиент давления; l- длина объёма породы; F- выбранное поперечное сечение; - вязкость жидкости или газа.

В зависимости от химизма флюидной фазы, выделяются специализированные типы метасоматизма: водный, углекислый ,кремнистый, магниевый, кальциевый, щелочной, боровый, фторовый, и другие. Смена химического состава флюидной фазы во времени и изменение химической направленности метасоматического процесса приводит к стадийности проявления типов метасоматитов. Так, в контактово-метасоматическом процессе вокруг ийолитового массива Ыраас (Маймеча-Котуйская провинция) наблюдаются три последовательные химические стадии развития флюида (от ранних к поздним): алюмокалиевая (А1-К); натрово-железистая (Nа-Fе); кальциево-фосфорная (Са-Р). На Соколовско-Сарбайском железорудном месторождении в Казахстане отчётливо выделяются, по крайней мере, две стадии: ранняя - хлор-железо-магниевая (Сl-Fе-Мg); поздняя - серно - полиметаллическая (S-Сu-РЬ и др.).

Биметасоматоз (по Д.С. Коржинскому) - процесс, протекающий в зоне контакта двух пород различного химического состава, например гранита и ультрамафитов с образованием асбеста, флогопита, жадеита, вермикулита. Другими словами, химическая составляющая метасоматического процесса зависит, с одной стороны, от химизма флюидной фазы, с другой, от химизма, т.е. от состава, замещаемой первичной породы.

Химическая стадийность метасоматического процесса является основной причиной возникновения характерного для всех метасоматических залежей зонального строения, когда одни типы метасоматитов обрамляются другими.

При изучении процессов метасоматоза значительный интерес представляет определение баланса количества вещества, которое в рамках определённого объёма было привнесено и вынесено из горной породы. Методика соответствующих пересчётов изложена в книге Ю.В. Казицина и В.А. Рудника «Руководство к расчёту баланса вещества и внутренней энергии при формировании метасоматических пород», 1968 г.

Метасоматиты образуют обширный класс метаморфических пород, в который входят многие руды, например, магнетитовые скарны, касситерит-вольфрамитовые грейзены, флогопититы и другие. Они представляют большой промышленный и поисковый интерес.

Формы залегания и признаки метасоматитов.

Формы залегания метасоматитов достаточно специфичны, к их числу относятся:

1. Пластообразные и согласные залежи, совпадающие с формами залегания осадочных горных пород, которые подверглись замещению.

2. Согласные метасоматические залежи, располагающиеся вдоль структурных и стратиграфических несогласий в толщах осадочных пород.

3. Секущие метасоматические залежи, повторяющие конфигурацию тектонических зон.

4. Метасоматические столбы на пересечении тектонических зон.

5. Метасоматические ореолы, обрамляющие магматические тела.

6. Системы штокверковых жил, повторяющие конфигурацию систем тектонических трещин.

Текстуры метасоматитов полосчатые, брекчиевидные, прожилково-брекчиевидные, пятнистые, редко массивные.

Структуры неравномернозернистые, характерен переход одних структур в другие.

Переходы между отдельными типами метасоматитов и между ними и вмещающими породами могут быть достаточно резкими или более или менее постепенными через метасоматически изменённые первичные породы.

Минеральный состав метасоматитов может быть простым мономинеральным, но может быть сложным и непостоянным, когда в процессе полиметаморфизма на высокотемпературную ассоциацию минералов одной стадии метасоматоза накладывается средне- и низкотемпературные диафторические ассоциации других стадий («многоэтажные метасоматиты»). При этом в метасоматитах нередко сохраняются минералы первичных или исходных пород (реликтовая ассоциация).