2.2 Результаты контактового метаморфизма.
В результате воздействия алюмосиликатных расплавов на близкие по составу, силикатные или алюмосиликатные осадочные породы (песчаники, алевролиты, аргиллиты, кремнистые сланцы) образуются контактовые роговики. В результате контактового метаморфизма образуются своеобразные горные породы — роговики. Это обычно мелкозернистые или среднезернистые плотные неслоистые породы, состав которых в значительной степени зависит от первичного состава породы. По данным В. М. Гольдшмидта, при метаморфизме глинисто-мергелистых пород в зависимости от количества карбоната может образоваться 10 типов роговиков. В роговиках появляются новые минералы, отсутствовавшие в первичных породах, такие, как андалузит, кордиерит, плагиоклаз, биотит, гиперстен, диопсид, гранат, волластонит. Роговики называются по наличию преобладающих минералов, например: плагиоклаз-гиперстеновый роговик, гранат-волластонитовый роговик и т. п.
Если обнаженность территории хорошая, удается наблюдать постепенный переход от контактовых роговиков к их неизмененным аналогам — песчаникам и алевролитам. Кроме того, преобразования, которым подвергается порода при контактовом метаморфизме, связаны главным образом с прогревом, приводящем к отжигу, поэтому для пород контактового метаморфизма характерны однородные массивные текстуры, отсутствие сланцеватости, идиоморфизм зерен и отсутствие внутризерновых дислокаций.
Давление при контактовом метаморфизме изменяется в пределах 0—3 Кбар,
Главную роль в образовании роговиков играет температура. Наблюдения и теоретические вычисления показали, что большие интрузивные массы в краевых частях имеют температуру до 1000°, причем остывание интрузии на глубине происходит медленно. Расчеты Цобеля свидетельствуют, что температура в интрузии гранита в 700 м от контакта через 6400 лет понижается от 1000 до 400°. Нагревание окружающей породы от магмы происходит так, что через 100 лет после внедрения в 100 м от контакта еще господствует температура в 700°.
Экстремально высокие температуры (900—1200° С) достигаются только при метаморфизме ксенолитов, со всех сторон окруженных магматическим расплавом.
Очень важную роль играет постмагматический флюид. Наличие значительных контактовых ореолов характерно для интрузий кислого состава, хотя температура кристаллизации у кислых магм существенно ниже, чем у основных. Однако основные магмы бедны флюидом, а при чисто кондуктивном переносе тепла от контакта, метаморфизму подвергается только узкая (до нескольких метров мощностью) зона.
Контактовые ореолы могут служить признаком близости невскрытого интрузивного тела.
Вследствие малой теплопроводности горных пород остывание нагретых вмещающих пород также совершается медленно, и тепло вблизи контакта может сохраняться в течение 10 тыс. лет. С этим связано, по-видимому, присутствие термальных источников в районах потухших вулканов.
3. Условия проявления и результаты регионального метаморфизма.
3.1 Условия проявления регионального метаморфизма.
Региональным, по предложению А. Добре (1859 г.), назван метаморфизм, распространяющийся на мощные толщи главным образом древнейших горных пород на огромных пространствах (от лат. regionalis — областной). В начале XX в. толщи древних регионально метаморфизованных пород расчленялись по петрографическому составу и одинаковой степени метаморфизма. Это приводило к объединению разновозрастных пород и не давало никакого представления об их геологической структуре. Создавалось впечатление о чрезвычайной сложности тектоники и структур докембрийских толщ. Но уже в двадцатых годах Д. С. Коржинский, изучавший регионально метаморфизованные архейские толщи Алданского щита, убедительно доказал, что «полосатость» распространенных там парасланцев отображает их первичную слоистость. Примерно тогда же (1931 г.) И. Седерхольм, а в 1932 г. Р. Эскола показали, что встречающиеся в докембрийских толщах Финляндии ленточные сланцы произошли за счет метаморфизма ленточных глин (их химический состав точно соответствует составу плейстоценовых ленточных глин).
Региональный метаморфизм происходит в крупных блоках земной коры с участием всех основных факторов (т.е. температуры, давления и химически активных веществ). Температурный диапазон от 300о до 10000, диапазон изменения давления от 2–5 тыс.атм. до 25000 атм.
Если процесс метаморфизма идет с нарастанием значений температуры и давления, то минералообразование идет от низкотемпературных к высокотемпературным минеральным ассоциациям. Такой метаморфизм называют прогрессивным. Если же процесс идет при понижении значений давления и температуры и образовании низкотемпературных минералов, то такой метаморфизм называют регрессивным.
В разных термодинамических условиях образуются соответствующие им минеральные ассоциации, которые в этих условиях находятся в физико-химическом равновесии, т.е. стабильны. Опираясь на это явление, геологи ввели понятие метаморфическая фация. Это такие физико-химические условия, в которых образуются породы, минеральный состав которых находится в физико-химическом равновесии. Отсюда следует, что минеральный состав пород есть функция химического состава и физических условий метаморфизма.
В зависимости от интервала температур и давления выделяют фации низких и высоких давлений и низких, средних и высоких температур. Но как правило, название фациям даются по названию минеральных ассоциаций или пород в целом, соответствующих данной фации. Итак, основные группы фаций:
Низкие t0 и P-фация зеленых сланцев’минеральные ассоциации: хлорит, серицит, кварц, серпентин ’ породы: различные сланцы и серпентинит.
Средние t0 и P-амфиболитовая фация ’минералы: амфиболы, гранаты, биотит ’породы: амфиболиты и гнейсы.
Высокие t0 и P – гранулитовая фация’ минералы: полевой шпат, гранаты, пироксен’ породы: гнейсы, эклогиты, гранулиты.
В пограничной зоне высоких температур и давлений породы могут частично плавиться – этот процесс называется – ультраметаморфизм. При этом наблюдается в сохранившихся метаморфических породах жилоподобные и пятнистые участки кварц-полевошпатового агрегата. Такие породы называются мигматиты.
Минеральный состав метаморфических горных пород весьма разнообразен. Следует однако, иметь в виду, что он зависит: а) от химического состава исходной породы; б) типа метаморфизма и в) от метаморфической фации. Среди наиболее распространенных минералов – это слюды, пироксены, амфиболы, карбонаты, кварц, полевые шпаты и гранат. Кроме того, есть минералы, которые образуются только при метаморфических процессах и являются его индикаторами. Это – тальк, серпентин, актинолит и др.
Условия образования отражаются в структурах и текстурах метаморфических пород. Как правило, метаморфические породы полностью раскристаллизованы. Среди структур типичными являются: кристаллобластические (перекристаллизация с одновременным ростом кристаллов), реликтовая (наряду с новообразованными минералами присутствуют остатки минералов первичной породы) и катакластические.
Текстуры отражают условия, при которых осуществлялось заполнение объема® это сланцеватые, гнейсовые, массивные и пятнистые.
Классификация метаморфических пород проводится по таким признакам как масштаб проявления и тип метаморфизма.
Наиболее распространенными породами локального метаморфизма являются: тектонические брекчии и милониты; мраморы и роговики; скарны, грейзены, березиты и листвениты (при метасоматозе).
Полезные ископаемые, сформированные в процессе метаморфизма разнообразны по составу и подразделяются на: метаморфизованные и метаморфические.
К метаморфизованным относят такие, которые в результате метаморфических процессов из рассеянных в породе минералов образуют промышленные скопления с тем же минеральным составом. Например, в докембрийских железистых кварцитах в результате метаморфизма образуются месторождения железных руд, состоящих из магнетита и гематита.
К метаморфическим относят такие, которые состоят из новообразованных минералов. Например – месторождения талька, хризотил-асбеста, флогопита, корунда, графита и др.
В древних сланцах и «гранулитах» серии Мойн в Шотландии реликты осадочной текстуры сохранились в виде окрашенных полос и косой слоистости, выраженной в переслаивании тонких прослоек железорудных и других минералов. В метаморфизованных обломочных породах формы галек и песчинок часто метаморфизуются с образованием бластопсаммитовых текстур, но всегда сохраняют индивидуальность, позволяющую при помощи современных методов легко их распознавать. Таким образом, было установлено, что региональный метаморфизм — процесс изохимический и даже тонкие слои и прослойки метаморфизованных пород сохраняют индивидуальные особенности состава, а основная особенность строения осадочных толщ – их слоистость — при региональном метаморфизме сохраняется. Оказалось возможным использовать при изучении регионально метаморфизованных толщ стратиграфический метод, разобраться в их строении и выявить ритмичность, позволяющую сопоставлять далеко расположенные один от другого разрезы.
Давно установленная связь проявлений регионального метаморфизма с повышением температуры и давления первоначально была положена в основу гипотезы, связывающей метаморфизацию горных пород с погружением их на большие глубины, в область высоких температур и давлений (И. Седерхольм, Ф. Бекке, У. Грубенман и П. Ниггли). Вскоре, однако, слабо измененные породы были обнаружены на очень больших глубинах. Это и ряд других особенностей регионально метаморфизованных толщ показало, что глубинность не имеет решающего значения при региональном метаморфизме.
В настоящее время многие геологи придерживаются мнения о главной роли при региональном метаморфизме теплового режима Земли, который в ходе геологической истории закономерно изменялся: происходила волнообразная или скачкообразная убыль тепла (Ю. К. Дзевановский, В. Н. Огнев, Л. Н. Белькова, А. В. Сидоренко и др.). В истории Земли они выделяют несколько эпох регионального метаморфизма планетарного масштаба, называют региональный метаморфизм геоисторическим и отрицают его связь с вулканизмом, интрузивным магматизмом, тектоникой и другими локальными геологическими процессами, которые часто накладываются на регионально метаморфизованные породы, но легко распознаются при помощи современных методов исследования. Все это подтверждается изохимическим характером преобразований, сохранением первичных текстур и другими специфическими особенностями регионально метаморфизованных толщ, о которых говорилось выше.
Другие геологи связывают региональный метаморфизм с формированием геосинклинальных (подвижных) поясов, сопровождающимся тектоническими подвижками, массовым выделением горячих газов и растворов и магматической деятельностью. Так, К. О. Кратц, Ю. М. Соколов, В. А. Глебовецкий и другие (1973 г.) выделяют в докембрийской истории Земли раннеархейскую, позднеархейскую, раннепротерозойскую, среднепротерозойскую и позднепротерозойскую эпохи регионального метаморфизма, связанные с общей тектонической активизацией и с магматической деятельностью. Ранние из этих эпох характеризуются большим площадным распространением и относительной однородностью геотермического режима метаморфизма. Многие из метаморфических пород этого времени были впоследствии изменены в условиях главным образом регрессивного метаморфизма и сохранились в виде диафторитов. Поздние (в основном протерозойские) эпохи отличаются образованием четко зональных метаморфических комплексов, связанных с резкой неоднородностью теплового потока в подвижных областях; при этом смежные зоны часто подвергались метаморфизации в условиях совершенно различных режимов. Предполагается существование в начале протерозоя перелома, связанного с появлением отчетливо индивидуализированных геосинклинальных систем. С выделенными эпохами ассоциируют месторождения различных полезных ископаемых: с раннепротерозойскими — железистых кварцитов, с позднепротерозойскими — золота, пьезокварца, слюдоносных и редкометальных пегматитов.
Наряду с узкими полосами контактово-метаморфических пород наблюдаются огромные площади, занятые сплошными толщами метаморфических пород. Они располагаются под очень тонким слоем молодых осадочных отложений в Финляндии, Карелии, на Кольском полуострове, слагая так называемый Балтийский щит, на правобережье Днепра, образуя здесь Украинский щит, а также в Сибири — на Алдане и в верховьях Анабары. На огромных просторах Русской низменности, а также между рр. Енисеем и Леной метаморфические породы слагают основание платформ — Русской и Сибирской. Они были обнаружены скважиной в Москве на глубине свыше 1500 м. Метаморфические породы, залегающие в основании древних платформ, относятся к архею или протерозою. В геосинклинальных складчатых областях оплошные толщи метаморфических пород могут быть более молодыми, чем на платформах, но, как правило, они древнее периода проявления главной складчатости в этом районе. Таким образом, в любой части коры земного шара на определенной глубине под толщей неметаморфизованных отложений можно встретить метаморфические породы. Для объяснения их происхождения была разработана теория регионального метаморфизма, под которым понимается метаморфизм на обширных площадях и определенных глубинах, связанный с общими физико-химическими условиями, господствующими на этих глубинах. Основоположники теории регионального метаморфизма объясняли наличие таких условий исключительно большими глубинами. Исходя из среднего геотермического градиента (1° при углублении на 33 м) на глубине 33 км температура должна быть равна 1000°, что вполне достаточно для глубокого метаморфизма. С другой стороны, такие глубины характеризуются весьма большим давлением, которое повышается (прогрессивно) на каждые 100 м на 2,7 кг/см². Таким образом, региональный метаморфизм возникает не вследствие каких-то спорадически действующих причин, а в связи с явлениями, типичными для глубоких частей земного шара. Вещество горной породы, попадая в иные условия, выходит из устойчивого равновесия и начинает приспосабливаться к новым условиям — происходит процесс перекристаллизации. Если при постоянной температуре изменяется давление, то минералы, появляющиеся вновь в процессе перекристаллизации, обладают большим удельным весом и более плотной структурой элементарной ячейки. Так, из оливина и анортита на значительной глубине образуется гранат:
Mg2SiO4 + CaAl2Si2O8 ---> Ca,Mg2Al2Si3O12
оливин анортит гранат
Суммарный молекулярный объем двух первых минералов равен 145, а граната 121. При повышении температуры происходит перекристаллизация и образование новых минералов. Этот процесс сопровождается поглощением тепла. Все реакции, связанные с перекристаллизацией на глубине, происходят в условиях борьбы двух сил — расширения при нагревании и сжатия при сдавливании. Чем сильнее изменилась среда, тем более глубокие изменения происходят в породе. Некоторые ученые, например У. Грубенман, критерием изменения условий метаморфизма считали только глубину от поверхности Земли, на которой происходит явление метаморфизма, исходя при этом из равномерного увеличения давления и температуры с глубиной. На основании этого им были выделены три зоны метаморфизма:верхняя – эпизона, средняя – мезозона, нижняя – катазона. В каждой из этих зон степень метаморфизма различна, и она повышается с глубиной. Такое понимание зон метаморфизма долгое время было господствующим. Земная кора разделялась по степени метаморфизма как бы на дополнительные оболочки. По мере накопления фактического материала выяснилось, что правило зависимости степени метаморфизма от глубины имеет много исключений. В одних участках земной коры регионально метаморфизованные породы встречаются на сравнительно меньших глубинах, чем в других областях. Это объясняется тем, что геотермическая ступень непостоянна, в геосинклиналях она намного больше, чем на платформах. Одни и те же температурные условия (например, 1000°) на золоторудном месторождении Витватерсранд (Африка) могут быть только на глубине 172 км, а в Бонанце (США) — на глубине 6,7 км (геотермическая ступень здесь 6,7 м). Кроме того, существуют условия, которые резко изменяют ход и степень метаморфизма. Такими условиями являются процессы складчатости, вызывающие в земной коре повышение бокового давления и увеличение температуры — вот почему в период складкообразования в геосинклинальных областях явление регионального метаморфизма осуществляется на глубинах, значительно меньших, чем это должно было бы быть при нормальном распределении зон метаморфизма Грубенмана. П. Ниггли и другие исследователи понятие о зонах метаморфизма не связывают так тесно с глубиной, и их зоны эпи-, мезо- и катаметоморфизма являются показателем не столько глубины, сколько условий, господствующих на этой глубине. Зона эпиметаморфизма характеризуется умеренной температурой и относительно низким давлением. Здесь обычно действует одностороннее боковое давление, именуемое стрессом. Породы здесь разбиты трещинами, иногда катаклазированы, имеют брекчиевидную и сланцеватую текстуры. Температуры в этой зоне не превышают 366°, т. е. критической температуры воды, поэтому здесь образуются минералы, содержащие гидроксильную группу (ОН), водные силикаты и т.п. В этой зоне глины превращаются в филлиты, песчаники в кварциты, известняки в мрамор. Очень характерны хлоритовые, серицитовые, тальковые и слюдистые сланцы, часто образующиеся при метаморфизме глинистых и вулканогенных пород. Для зоны метаморфизма очень характерно возникновение таких минералов, как хлорит, кварц, серицит, цеолиты, карбонаты; при тех же температурах, но при несколько большем давлении образуются: мусковит, эпидот, альбит, роговая обманка, биотит, актинолит, кварц, микроклин и др. Зона мезометаморфизма характеризуется более высокими температурами, иногда исключительно сильным боковым и гидростатическим давлением. Текстура метаморфических пород этой зоны сланцеватая и гнейсовая. Образуются здесь главным образом безводные минералы – в большом количестве силикаты; окись кремния (SiO2) в условиях этой зоны очень активна и входит в состав вновь образующихся минералов. В кремнистых известняках возникает очень характерный для этой зоны минерал волластонит: CaCO3 + SiO2 ---> CaSiO3 + CO2 Зоне мезометаморфизма свойственны такие породы, как гранато-слюдистые, роговообманковые сланцы, кварц-полевошпатовые гнейсы, графиты. Из минеральных ассоциаций характерны: 1) гранат, диопсид, эпидот, кварц, актинолит, силлиманит, 2) гранат, роговая обманка, волластонит; 3) плагиоклазы, мусковит, диопсид, актинолит и др. Глинистые и кварцевые породы в этой зоне превращаются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые интрузивные породы — в гнейсы, а основные породы – в амфиболиты. 3она катаметаморфизма характеризуется высокой температурой ( более 3000) и большим гидростатическим давлением; боковое давление отсутствует. Степень изменения породы бывает настолько велика, что распознать исходный материал часто не удается. При этом изменяется текстура, структура и состав пород. Очень характерны для этой зоны кристаллические сланцы и гнейсы, например гиперстено-плагиоклазовые, а также эклогиты — породы, состоящие из оливина, граната, небольшого количества кварца и других минералов. Эти породы образовались, по-видимому, при метаморфизме пород основной магмы. Из минеральных ассоциаций для зоны катаметаморфизма характерны ассоциации высокотемпературных минералов: гиперстен , плагиоклаз, оливин, гранат, кварц, силлиманит; присутствуют кордиерит, волластонит, корунд и др. Образование алмазов происходит, по-видимому, также в условиях зоны катаметаморфизма. Таким образом, каждая зона метаморфизма характеризуется наличием определенных ассоциаций минералов, образование которых обусловлено наличием определенной температуры и давления.
Ультраметаморфизм — высшая степень метаморфизма, связанная с глубокими частями земной коры и представленная явлениями метасоматоза, гранитизации, мигматизации и палингенезиса. Здесь же на больших глубинах в самых нижних частях земной коры, по мнению некоторых ученых, происходит расплавление вещества земной коры. Если оно частичное, то носит название палингенезиса, а если полное — анатексиса. Расплавлению подвергаются уже сильно метаморфизованные породы, т. е. гнейсы. Расплавляясь, вещество земной коры превращается в магматический расплав, причем при частичном расплавлении, т. е. палингенезисе, всегда образуется расплав кислого состава, сходный с гранитной магмой. При последующем застывании этого расплава возникают уже сильно метаморфизованные породы, т.е. гнейсы. По мнению некоторых ученых, такой процесс развит исключительно широко и многие или даже все из известных гранитов образовались именно таким образом, т. е. в результате переплавления метаморфических пород. В доказательство этой теории приводится тот факт, что у таких вторичных гранитов иногда еще удается распознать первичную гнейсовую текстуру. Вновь образованные при палингенезисе граниты вследствие увеличившегося давления ( в связи с расширением при разогреве) отжимаются в боковые еще не переплавленные породы (обычно гнейсы), пронизывают их и получается тонкое переслаивание гнейсов и гранитов. Такая порода именуется мигматитом, а процесс ее образования - мигматизацией. Толщина отдельных слоев гранита и гнейса в мигматите измеряется миллиметрами или сантиметрами. Мигматиты широко развиты в древних архейских образованиях, например на Балтийском и Украинском щитах. По мнению других ученых, на больших глубинах огромное значение имеют явления метасоматоза. С больших глубин из магматических очагов поступают перегретые щелочные растворы, которые пропитывают метаморфические породы и путем метасоматоза превращают их в породы, близкие по составу к гранитам. Такой процесс получил название гранитизации, а появившиеся в результате его породы — метасоматических гранитов. Некоторые ученые считают, что все граниты образовались именно путем гранитизации и, с их точки зрения, кислая магма отсутствует вообще. Явление метасоматоза наблюдалось на Большом Кавказе, где Г. Д. Афанасьевым обнаружены гранодиориты, в которых плагиоклаз всюду оказался метасоматически замещен микроклином. По У. Грубенману, зоны метаморфизма определяются их глубиной от поверхности земли в связи с закономерным увеличением с глубиной давления и температуры. Некоторые авторы (Э. Вайшейнк, В. А. Обручев, А. К. Мей-стер, Н. П. Семененко, Д. С. Коржинский) видят много общего в факторах контактового и регионального метаморфизма и считают, что региональный метаморфизм связан с огромными магматическими очагами на глубине, температурное воздействие которых и пропаривание парами и газами создало обширные пояса метаморфических пород. Глубина возникновения метаморфических пород, по взглядам этих авторов, связана не с относительной глубиной от поверхности Земли, а с положением магматического очага. По-видимому, в докембрийское время магматические очаги были ближе к поверхности Земли и более обширны, поэтому так велико развитие метаморфических изменений в породах архея и протерозоя. Таким образом, в настоящее время, выделяя фации метаморфических пород, многие авторы не связывают распределение этих фаций только с фактором глубины.
