учебники / Короновский Н.В. «‎Общая геология‎» 3-ие издание

Рис. 16.3. Степени метаморфизма. Черная жирная линия — рост температуры с увеличением глубины

Существуют породы, наиболее характерные для разных ступеней метаморфизма. Так, для низшей ступени типичны зеленые сланцы, образовавшиеся за счет базальтовых туфов и лав. Их зеленоватая окраска обусловлена развитием хлорита и эпидота.

Для фации зеленых сланцев также типичны филлиты, сложенные очень мелкими, меньше 1 мм, зернами кварца и чешуйками серицита и хлорита. Два последних минерала придают филлитам шелковистый блеск на плоскостях сланцеватости. Хлорит-серицитовые сланцы образуются при метаморфизме глинистых пород, и для них типичны хлорит и слюда — серицит (мелкие чешуйки мусковита), а также кварц.

К низким ступеням метаморфизма относятся весьма необычные породы — глаукофановые, или голубые, сланцы с голубой роговой обманкой, типичные для них минералы. Особенностью формирования этих пород является обстановка низких температур: +200...+400 °С и очень высоких давлений — до 12 кбар, а это отвечает глубине 40 км, если брать литостатическое давление. Но на такой глубине должна быть высокая температура. Однако в сильно метаморфизованных древних докембрийских породах голубые сланцы отсутствуют, хотя, судя по огромному давлению, они должны были бы там быть. Эти голубые сланцы являются результатом очень сильного стресса, т. е. одностороннего, а не

литостатического давления, возникшего в условиях формирования крупных надвигов и покровов. Поэтому голубые сланцы образуют вытянутые полосы, которые простираются в соответствии с крупными разломами и характерны для зон субдукции.

Ксредним ступеням метаморфизма относятся разнообразные кристаллические сланцы и амфиболиты. Кристаллические сланцы — полосчатые породы, состоящие из кварца, полевых шпатов и слюд, образующихся как по осадочным породам — песчаникам и глинам (парагнейсы), так и по магматическим — лавам, гранитам и др. (ортогнейсы). Амфиболиты состоят из роговой обманки и плагиоклазов, иногда с биотитом и эпидотом, и формируются за счет метаморфизма базальтов и габбро — основных изверженных пород (ортоамфиболиты) и карбонатно-глинистых пород (параамфиболиты). Кристаллические сланцы — результат преобразования в основном глинистых пород, состоят из слюд, хлорита и амфибола, образующих характерную сланцеватость.

Амфиболитовая фация метаморфических пород образуется при температуре +500–700 °С и давлении 2–8 кбар. При таких высоких температурах породы начинают испытывать частичное плавление в отдельных тонких слоях с образованием мигмы, а вся порода превращается в мигматит — полосчатые метаморфиты, в которых чередуются полоски гранитного состава (мигма) с полосками темноцветных минералов, еще не вовлеченных в плавление.

Квысшей ступени метаморфизма относится гранулитовая фация (температура +700–1000 °С, давление 4–12 кбар, глубины 10–40 км). Характерными породами этой фации являются гнейсы, двупироксеновые и кристаллические сланцы и эклогиты. Гнейсы состоят из кварца, ортоклаза, плагиоклаза, граната, кордиерита, пироксена, замещающего роговые обманки и слюды. Гранулиты образуются за счет как первично магматических, так и осадочных пород. Эклогиты сложены пироксеном — омфицитом и пироповым гранатом и представлены плотными тяжелыми породами, типичными для глубоких частей земной коры.

Таким образом, повышение температуры, давления и привнос флюидов приводят к изменению первично осадочных и магматических пород и превращению их в метаморфические, различных фаций и ступеней. Усиление действия этих факторов в конце концов приводит к избирательному плавлению наиболее легкоплавких компонентов породы, а потом и к полному плавлению. Этот процесс ультраметаморфизма, в результате которого путем различных пород могут образоваться граниты, называется анатексисом.

Если при метаморфизме химический состав породы не меняется, то говорят об изохимическом метаморфизме, а если изменяется, то об аллохимическом. Но изменения происходят не только с минералами. Происходит изменение структуры, текстуры, и наступает полная перекристаллизация первичной породы. Чешуйки слюды — биотита, мусковита, серицита — приобретают ориентировку в пределах плоскостей, а если минералы, например амфиболы, имеют игольчатую форму, то длинной осью они ориентируются в одном направлении, образуя линейную текстуру. В результате метаморфическая порода приобретает сланцеватую текстуру — тонкие пластинки, на которые порода разбивается при ударе молотком. Пластинки слюды в филлитах обеспечивают шелковистый характер породы. На образование сланцеватой текстуры особенное влияние оказывает стресс — одностороннее, а не литостатическое давление.

16.2. ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ МЕТАМОРФИЗМА

При каких Р-Т (давление-температура) условиях происходил метаморфизм тех или иных пород? Ответить на этот вопрос помогает исследование двухфазных газово-жидких включений, находящихся в минералах и попавших туда в момент роста кристалла. Метод гомогенизации заключается в нагревании кристалла до тех пор, пока включение не гомогенизируется, т. е. не станет однородным. Температура, при которой происходит гомогенизация, и есть минеральное значение температуры образования минерала.

Чтобы установить давление, используют метод геологической термобарометрии, позволяющий рассчитывать Р и Т по составам минералов, находящихся в метаморфической породе, что дает возможность судить о термодинамической обстановке в момент формирования метаморфической породы.

Типы метаморфизма. Метаморфизм может проявиться на огромных площадях и поэтому называется региональным. В других случаях метаморфические изменения захватывают ограниченные участки, и тогда метаморфизм называется локальным.

Региональный метаморфизм является наиболее распространенным, проявляясь на площадях в сотни тысяч квадратных километров, что обусловлено погружением региона на глубины, достаточные для воздействия на первичные толщи пород высоких температур, всестороннего (литостатического) давления и флюидов. Такие метаморфические толщи развиты на древних щитах платформ, например на Балтийском и Украинском в пределах Восточно-Европейской платформы, на Алданском — Сибирской платформы и др. Архейские породы с возрастом

свыше 2,5 млрд лет метаморфизованы во всех регионах Земли; протерозойские, с возрастом 2,5–0,57 млрд лет, — избирательно, а фанерозойские, моложе 0,57 млрд лет, — только в складчатых областях и то местами, в тех структурах, которые подверглись наибольшему давлению и температурному воздействию. Поэтому в складчатых структурах можно наблюдать, как одновозрастные толщи аргиллитов переходят в глинистые сланцы, затем в филлиты, кристаллические сланцы и, наконец, в гнейсы.

Локальный метаморфизм проявляется на ограниченных площадях

иподразделяется на контактовый и динамометаморфизм (дислокационный).

Контактовый метаморфизм развивается в интрузивных массивах, внедряющихся в любые толщи пород, воздействие на которые осуществляется температурой и флюидным потоком (рис. 16.5). Ширина и площадь контактового (экзоконтактового) ореола зависят от типа, состава интрузивного тела и его температуры. Интрузивы типа небольших даек и силлов обладают экзоконтактами от нескольких сантиметров до нескольких метров, и ввиду низкой температуры наблюдается лишь узкая зона дегидратации пород. Крупные гранитные массивы хотя

иобладают невысокой температурой, но благодаря энергичному флюидному воздействию на вмещающие породы имеют обширные, до нескольких километров, контактовые ареалы, в которых наблюдается закономерная смена парагенезов минералов от высокотемпературных вблизи интрузивного массива до низкотемпературных — вдали от него. Чем выше температура интрузивного массива, тем развиты в контактовых ореолах более высокотемпературные метаморфические породы.

Среди пород контактового метаморфизма наиболее распространены роговики, массивные темные породы, содержащие кордиерит, андалузит, хлорит и мусковит. Если воздействию гранитов подвергаются карбонатные породы, то возникают скарны, метаморфические породы, которые образовались за счет метасоматоза (замещения) с привносом

SiО2, Al2O3, MgO, FeO и В2О3. Скарны могут возникнуть только под влиянием горячих щелочных флюидов, отделяющихся от остывающего гранитного расплава. Характерными для скарнов являются различные

гранаты, турмалин и волластонит (CaSiO3); типично образование железных магнетитовых руд, а также сульфидов меди, свинца и цинка, формирующих большие промышленные месторождения. Гора Магнитная прославилась месторождением магнетитовых руд, и в 30-е гг. XX в. около нее возник г. Магнитогорск.

Динамометаморфизм связан с крупными разломами, в основном надвигами, покровами и сдвигами, при образовании которых всегда возникает стресс — напряжение сжатия, ориентированное в одном

Рис. 16.5. Контактовый (локальный) метаморфизм вмещающих пород гранитного интрузива. 1 — граниты, 2 — эндоконтакт. Вмещающие породы (рама): 3 — глины, 4 — известняки, 5 — песчаники, 6 — кислые лавы. Породы контактового метаморфизма (чем ближе к интрузивному массиву, тем выше степень метаморфизма):

7 — дегидратированные породы, 8 — мраморы, 9 — глинистые сланцы, 10 — филлиты, 11 — хлоритовые сланцы, 12 — силлиманитовые сланцы, 13 — кварциты,

14 — вторичные кварциты

направлении. На глубинах, где литостатическое давление велико, под влиянием стресса породы приобретают пластическое течение, напоминающее раздавливание пластилина в ладонях рук. При этом раздавливаемый материал стремится выдавиться в сторону уменьшения градиента давления, а новообразованные минералы, такие как слюды, располагаются чешуйками параллельно поверхности смещения, создавая сланцеватость метаморфической породы. Конгломераты в таких зонах сплющиваются, длинные оси сжатых галек ориентированы по направлению перемещения, а уплощенные гальки — перпендикулярно сжатию. Поэтому следует различать сжатие, когда усилие направлено по нормали к объекту, и стресс со сдвигом, когда объект зажат между двумя пластинами, смещающимися в разных направлениях.

Динамометаморфизм проявляется в сравнительно узких зонах разрывных нарушений и сразу же исчезает за их пределами.

Метаморфические фации и тектоника литосферных плит. Активная континентальная окраина, где океаническая литосфера погружается под континентальную, представляет собой хороший пример для демонстрации распределения метаморфических фаций и их связи с геодинамическими обстановками. Следует обратить внимание на положение фации голубых сланцев, требующих для своего формирования высоких давлений и сравнительно низких температур. Они как раз и располагаются в основании аккреционного клина, где создается боль-

шое давление. Амфиболитовая и гранулитовая фации находятся в нижней части континентальной коры и в самых верхах верхней мантии, ниже поверхности Мохо. Фации средних и низких ступеней метаморфизма располагаются в верхней коре.

16.3. УДАРНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ

На поверхность Земли всегда падали, падают и будут падать метеориты — эти космические «гости» из нашей Солнечной системы. При падении на Землю метеорита образуется кратер, или астроблема, которая всегда больше, чем упавший метеорит (рис. 16.6). Соударение метеорита и поверхности Земли зависит от массы тела и его скорости при движении в атмосфере, т. к. последняя играет роль тормоза. Знаменитый железный метеорит Хоба из Намибии в Африке весом 60 т не сделал даже малейшего углубления. Следовательно, его скорость при сближении с поверхностью Земли равнялась нулю.

Большинство кратеров соответствует скорости сближения с поверхностью Земли в 3–4 км/с. При такой скорости удара образуется ударная волна скоростью 3–5 км/с, сжимающая горные породы с силой до 100–300 ГПа, причем возрастание давления, как полагает В. И. Фельдман, происходит в миллиардные доли секунды (10–9 с). Естественно, что это колоссальное мгновенное сжатие вызывает такой же быстрый нагрев пород до +10 000 °С и выше, причем нагрев происходит в момент разряжения сжатия, когда ударная волна исчезает. Все это сопровождается дроблением, плавлением и испарением вещества мишени (рис. 16.7).

Горные породы, образующиеся при таком мгновенном ударном событии, называются импактитами (англ. impect — удар) и подразделяются на три группы: 1) импактированные породы, т. е. подвергнутые воздействию ударной волны; 2) расплавленные породы; 3) импактные брекчии. Ударный метаморфизм проявляется в образовании различных пород и новых минералов, в изменении структуры минералов. Все зависит от давления и температуры. При давлениях Р = 10–35 ГПа и Т = +100–300 °С в породах и минералах образуются трещины и диаплектовые структуры в кварце и полевых шпатах, выражающиеся в скольжении блоков кристаллической решетки относительно друг друга (планарные элементы) и в конечном итоге превращении минерала в изотропное вещество. При Р = 45–60 ГПа и Т = +900–1500 °С минералы становятся аморфными и начинается их плавление.

Рис. 16.6. Стадии образования взрывного (метеоритного) кратера (по Л. Н. Хряниной, 1987): а–в — I стадия — ударное сжатие, растекание метеорита в грунте; г — II стадия — экскавация и выброс грунта отраженной волной; д — III стадия — деформация или заполнение (1 — воронка, 2 — истинное дно, 3 — видимое дно, 4 — вал брекчии,

5 — лежачая синклиналь цокольного вала)

При Р = 90 ГПа и Т = +3000 °С наступает плавление горных пород, а затем их испарение. Некоторые минералы, например кварц (2,2– 2,5 г/см3), переходят в более плотную (2,85–3 г/см3) модификацию, но состав при этом не меняется. Углерод может переходить в алмаз или лонсдейлит; оливин и пироксен сменяются более плотными модификациями. Ударный метаморфизм имеет локальное распространение и не выходит за пределы метеоритного кратера (рис. 16.8).

Глава 17

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ

ИДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

17.1.ВЕРТИКАЛЬНЫЕ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ

Земная кора постоянно испытывает движения, чаще всего очень медленные, но при землетрясениях очень быстрые, почти мгновенные. Это явление было подмечено еще в далекой древности Пифагором. Известно много мест на земном шаре, где целые города оказались на дне моря, а некоторые портовые сооружения — на суше. Примерами служат поселения древнегреческих колоний на Черноморском побережье: Созополь в Болгарии, Диоскурия в районе современного Сухуми

идр. На Коринфском перешейке, соединяющем материковую Грецию с полуостровом Пелопоннес, храм, выстроенный в I в. н. э. на суше, ныне покрыт водами моря. На Новой Земле причалы, построенные поморами еще в ХVIII в., сейчас находятся выше уровня моря и довольно далеко от берега. Скандинавия медленно поднимается, а горное сооружение Большого Кавказа каждый год «вырастает» почти на 1 см. Очень медленные поднятия и опускания испытывают и равнинные участки Русской плиты, Западно-Сибирской низменности, Восточной Сибири

имногих других районов. Земная кора испытывает не только вертикальные, но и горизонтальные перемещения, причем их скорость составляет десяток сантиметров в год. Иными словами, земная кора как бы дышит, постоянно находясь в медленном движении.

Вчем причины таких перемещений земной коры? Необходимо различать кажущиеся движения, связанные с колебаниями уровня моря, и реальные, обусловленные собственно перемещениями земной коры. На побережьях океанов и морей уже давно устанавливались специальные приборы: мореографы и рейки-футштоки для измерения уровня моря. Впервые такие наблюдения стали проводиться в Швеции, а с 1731 г. — в Финляндии. Уровень моря может испытывать собственные колебания — эвстатические, обусловленные разными причинами, как уже отмечалось в главе 12 о деятельности океанов.

Таяние ледников, образование поднятий в океанах, увеличение средней температуры воды, уменьшение ее плотности и т. д. — все это вы-