Геология / 1 курс / Минералогия / Метаморфический процесс

3. МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ

По источнику вещества и энергии метаморфические процессы являются промежуточными между собственно эндогенными и экзогенными. В большинстве случаев они протекают без заметного привноса вещества за счет вещества метаморфизующихся комплексов пород, источником энергии при этом является глубинный тепловой поток.

3.1. МЕТАМОРФИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Метаморфический процесс – процесс изменения горных пород, идущий в глубинах Земли без существенного расплавления и растворения вещества (в твердом состоянии) под воздействием высокой температуры и давления с участием порового флюида. Традиционно различают два типа метаморфизма: региональный (динамотермальный) и локальный (контактовый). В последние десятилетия стали выделять новый тип метаморфизма – импактный (ударный), происходящий вследствие удара о Землю крупных метеоритов, с образованием метеоритных кратеров (астроблем – «звездных ран»). Основанием для выделения этого типа метаморфизма стало то, что в момент удара метеорита о Землю возникают высокие температура и давление, это как раз те факторы, которые вызывают метаморфические преобразования пород. Возникающие при этом новообразованные минералы рассматриваются как продукты метаморфизма, но особого – импактного.

3.1.1. РЕГИОНАЛЬНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ проявляется при погружении осадочных и вулканогенно-осадочных толщ в области нарастающего давления и температуры. Этот тип метаморфизма отличается значительными площадными и объемными масштабами проявления, отсутствием связи с магматическими интрузивными образованиями и длительностью протекания. Региональный метаморфизм характерен для интервала глубин от 3 до 25-40 км. Нижняя температурная граница соответствует 450-500° С (предел устойчивости каолинита), верхняя – 900-1000° С (температура плавления породообразующих силикатов). Представление относительно температурных границ несколько расходятся. Ряд исследователей (Я.Н. Белевцев и др.) нижнюю температурную границу проводят по 100° С, верхнюю по 800° С.

Основными химическими процессами преобразования вещества при метаморфизме являются дегидратация (обезвоживание) водосодержащих минералов, диссоциация (разложение) карбонатов. Естественно, что это приводит к изменению минерального состава метаморфизующихся толщ, которое заключается в том, что гидроксиды переходят в соответствующие оксиды, водосодержащие минералы переходят вначале в минералы с меньшим количеством воды и далее к безводным при том же химическом составе, а карбонатные парагенезисы сменяются силикатными. Высокое давление, характерное для метаморфического процесса, приводит к тому, что полиморфные модификации меньшей плотности сменяются модификациями с большей плотностью. Изменение минерального состава пород сопровождается также механическими преобразованиями минеральных агрегатов. Происходящая раскристаллизация минеральных агрегатов приводит к тому, что при метаморфизме коллоидное состояние вещества сменяется кристаллическим, тонкозернистые агрегаты в результате их перекристаллизации с укрупнением зерен переходят в грубозернистые. В процессе метаморфизма минеральные агрегаты испытывают рассланцевание, при котором пластинчатые, игольчатые, столбчатые минералы удлинением ориентируются перпендикулярно давлению. В результате породы приобретают отчетливо видимую сланцеватую текстуру, так характерную для метаморфических пород.

При характеристике интенсивности метаморфических преобразований используют понятие ступеней метаморфизма. Под ступенями метаморфизма понимаются определенные области значений температур и давлений метаморфического процесса. Соответствующие им новообразованные минеральные парагенезисы названы фациями метаморфизма.

На практике часто используется упрощенная схема деления на ступени метаморфизма, при которой в порядке повышения температуры и давления, как правило, с увеличением глубины различают низкую (450-600° С), среднюю (600-750° С), высокую (750-1000° С) ступени метаморфизма. Им отвечают фации метаморфизма, названные соответственно зеленосланцевой, эпидот-амфиболитовой и гранулитовой. При более детальном делении продуктов регионального метаморфизма выделяют 6 фаций, в которых по особенностям минерального состава различают еще и субфации. В порядке повышения температуры и давления это будут следующие фации:

1) цеолитовая (главные минералы: кварц, альбит, хлорит, пумпеллеит);

2) зеленых сланцев (главные минералы: кварц, альбит, актинолит, тремолит, хлорит, эпидот, мусковит, биотит);

3) глаукофановая (главные минералы: кварц, спессартин, родонит, глаукофан, эгирин, жадеит, мусковит, эпидот, хлорит, кальцит);

4) амфиболитовая (главные минералы: кварц, дистен, ставролит, средний плагиоклаз, гранат, роговая обманка, биотит, диопсид);

5) гранулитовая (главные минералы: кварц, средний-основной плагиоклаз, роговая обманка, пироксены, силлиманит, биотит, рутил);

6) эклогитовая (главные минералы: омфацит, гранат, дистен, энстатит, рутил).

Состав продуктов метаморфизма определяется исходным составом метаморфизующихся толщ, которые могут быть: 1) карбонатными, 2) глиноземистыми, 3) оксидными и гидроксидными, 4) алюмосиликатными. Так при метаморфизме известняков возникают мраморы. В случае исходных пород доломитового состава с примесью кварцевого песка и глинистых осадков либо при метаморфизме известняков, обогащенных силикатами, в условиях высокой ступени метаморфизма возникают кальцифиры – породы состоящие из кальцита, доломита с вкраплением шпинели, магнезиальных силикатов (энстатита, форстерита, диопсида, флогопита), а также скаполита, плагиоклаза и др. Метаморфизм осадочных образований, богатых гидроксидами железа и кремнеземом, приводит в условиях низкой и средней ступеней метаморфизма к образованию железистых кварцитов, состоящих из кварца, магнетита, гематита, хлорита, биотита, щелочного амфибола и др. При метаморфизме высокоглиноземистых образований (бокситов, кор выветривания латеритного типа) возникают высокоглиноземистые андалузит-дистен-силлиманит-диаспоровые сланцы и даже наждаки.

Продуктами регионального метаморфизма являются также различные по составу кристаллические сланцы и гнейсы.

В развитии регионального метаморфизма различают прогрессивный и регрессивный этапы.

Прогрессивный (прямой) метаморфизм протекает при прогрессирующем повышении температуры и давления, не сопровождается привносом вещества и является изохимическим. На месте ранее существовавших низкотемпературных парагенезисов со временем формируются все более высокотемпературные. В крайних формах прогрессивный метаморфизм переходит в ультраметаморфизм, приводящий к частичному переплавлению метаморфизующихся пород. Ультраметаморфизм проявляется локально в зонах амфиболитовой и гранулитовой фаций метаморфизма. Продуктами ультраметаморфизма являются мигматиты, гранито-гнейсы и пегматиты.

Регрессивный (обратный, ретроградный) метаморфизм или диафторез происходит со сменой высокотемпературных парагенезисов низкотемпературными и часто является аллохимическим и протекает при привносе вещества, обычно воды и углекислоты.

Своеобразными продуктами регионального метаморфизма являются жилы альпийского типа или альпийские жилы. Впервые они были исследованы в метаморфических комплексах Альп, отчего и получили свое название. Альпийскими жилами называют трещины в метаморфических породах, выполненные агрегатами (часто кристаллическими друзами) определенных минералов. Жилы формируются в процессе метаморфизма при участии водных растворов, возникающих в результате дегидратации водосодержащих минералов при их метаморфизме. Эти растворы оказываются насыщенными компонентами, заимствованными из метаморфизующихся пород, т.е. теми же, что и метаморфизующиеся толщи. Отложение вещества из таких растворов происходит среди метаморфических пород в пустотах и трещинах, встречаемых по пути их движения, а минеральный состав повторяет состав окружающих пород. Поэтому особенностью альпийских жил является их друзовое строение и соответствие минерального состава минеральному составу окружающих метаморфизованных пород. Так в зеленосланцевых толщах альпийские жилы содержат прекрасные кристаллы альбита, эпидота, кварца, хлорита; в роговообманковых сланцах – кристаллы амфиболов и плагиоклазов; в кварцитах – кристаллы горного хрусталя иногда с включениями иголочек рутила, так называемые «волосатики». С альпийскими жилами связаны находки кристаллов водяно-прозрачного ортоклаза (адуляра), апатита, сфена, гематита, цеолитов и др. минералов.

3.1.2. КОНТАКТОВЫЙ МЕТАМОРФИЗМ протекает в зоне контакта вмещающих пород с внедрившимся интрузивом за счет его тепла. Процесс характеризуется высокой температурой, но невысоким давлением и небольшой ролью газовой фазы. Поскольку часто возникает ситуация, когда вмещающие породы и интрузив имеют близкий химический состав, то процесс их взаимодействия не сопровождается обменом компонентами. Основными процессами при этом, как и в случае регионального метаморфизма, являются дегидратация, диссоциация и перекристаллизация вещества.

Продуктами контактового метаморфизма становятся роговики, названные так за плотное сложение с осколочно-раковистым изломом. Выделяют низкотемпературные мусковитовые, альбит-эпидотовые; среднетемпературные биотитовые, кордиеритовые, амфиболовые роговики. Наиболее высокотемпературными являются пироксеновые и санидиновые роговики. Состав роговиков определяется составом исходных пород и температурой метаморфического преобразования. Так за счет бокситов при низкотемпературном контактовом метаморфизме образуются диаспоровые породы, а при высокотемпературном метаморфизме – уже наждаки, состоящие в основном из корунда с примесью других минералов (магнетита, гематита). В случае прорыва магмой пластов каменных углей за счет последних в результате контактового метаморфизма образуется графит. Высокотемпературный процесс преобразования каменных углей в графит получил название пиролиза каменных углей.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое ступени и фации метаморфизма?

2. Какие химические, физические преобразования происходят с исходными минеральными агрегатами в процессе метаморфизма?

3. Чем по условиям образования и минеральному составу отличаются жилы альпийского типа от обычных гидротермальных жил? Почему они названы жилами?

4. Что такое ультраметаморфизм и диафторез? Назовите их продукты.

5. Условия образования и минеральный состав роговиков.