1.8.2.Метаморфические реакции
На оглавление
Метаморфизм – это физико-химический процесс. Главная тенденция метаморфических процессов – приведение горных пород к равновесному состоянию при изменении физико-химических условий. Как отмечено выше, изменение интенсивности влияния факторов метаморфизма приводит к тому, что минеральные ассоциации, слагающие горную породу, становятся неустойчивы (не могут существовать при таких условиях). Начинается процесс химического разложения минералов в твёрдом состоянии и, одновременно, процесс образования за счёт них новых минеральных ассоциаций, способных стабильно существовать в новых термодинамических условиях. Этот процесс можно описать следующей схемой: высвобождение атомов из кристаллических решёток неустойчивых минералов, образование центров кристаллизации стабильных минералов, движение атомов к этим центрам, удаление из мест реакции атомов, не вошедших в состав новообразующихся минералов.
Метаморфическую систему можно сопоставить с конструктором, из набора деталей которого (химических элементов) в зависимости от условий собираются разные конструкции (минеральные ассоциации). Такие трансформации могут происходить неоднократно. Метаморфические реакции разделяются на два главных типа.
Реакции «дегазации», описываемые схемой минерал = минерал + газ, при которых происходит удаление обладающих высокой подвижностью летучих компонентов. Примером такой реакции служит выделение воды при разложении биотита:
|
2K(Fe,Mg)3[AlSi3O10](OH)2 |
+ 6SiO2 |
= |
2K[AlSi3O8] |
+ 3(Fe,Mg)2[Si2O6] |
+ 2H2O |
|
биотит |
кварц |
|
полевой шпат |
гиперстен |
|
Иногда, если при метаморфизме происходит замена более высокотемпературных безводных минералов на более низкотемпературные, реакции могут иметь обратную направленность и сопровождаться гидратацией.
Реакции минерал - минерал, приводящие к замене одних минералов на другие. При этом реакции могут протекать как между разными минералами, так и приводить к полиморфным превращениям.
Примером первой из названных группы реакций служит приведённое выше образование калиевого полевого шпата и гиперстена за счёт реакции биотит + кварц, либо разложение альбита (неустойчивого в условиях высокого давления) с образованием парагенезиса жадеит + кварц: NaAlSi3O8 = NaAlSi2O6 + SiO2. Как видно из этих довольно простых примерах, в реакциях может участвовать разное число минеральных фаз (от одной до более десятка) , при этом количество реагирующих и образующихся фаз не обязательно будут одинаковы.
Реакции между минералами могут протекать и без появления новых минеральных фаз (соответственно, и без изменения минерального состава породы). Это так называемые обменные реакции, в ходе которых по мере изменения температуры и давления происходит перераспределение некоторых химических элементов между ассоциирующими минералами. Так парагенезис пироксен + гранат устойчив в достаточно широком интервале температур и давлений, рост температуры даже на первые сотни градусов не будет приводить к реакциями, сопровождающимся их растворение и образование новых минералов. При изменении температуры минералы с первичным составом становятся неравновесными, между ними происходит перераспределение Fe и Mg: по мере роста температуры гранат обогащается магнием (приближаясь по составу к пиропу), а пироксен - железом. Часто такие обменные реакции затрагивают лишь краевые части соседствующих минералов, поэтому состав центральной части отвечает начальным РТ-условиям метаморфизма, в то время как состав реакционных каёмок отражает направленность изменения РТ-условий. Такие пары зональных минералов являются важным источником информации для определения абсолютных значений температур и давлений метаморфического процесса (на изучении таких изменений основаны минеральные геотермометры и геобарометры).
Диапазон устойчивости у разных минералов различен, вследствие чего в породе некоторое время могут сохраняться ранее образованные минералы (например, неметаморфические на начальной стадии метаморфизма).
Примером второй группы реакций служат превращения в ряду андалузит-силлиманит-кианит; эти минералы имеют один и тот же состав Al2SiO5, но различаются по строению кристаллических решёток и образуются при различных Р-Т условиях (рис.1.127).
Устойчивость минералов в разных P-T условиях определяет возможность установления параметров метаморфического минералообразования по составу минеральных ассоциаций. Присутствие андалузита указывает на формирование при низких давлениях и низких температурах, силлиманита - при низких - умеренных давлениях и высоких температурах, кианит характерен для пород, образовавшихся при умеренных и высоких давлениях. Некоторые минералы устойчивы в довольно узком интервале P-T (например, присутствие лавсонита CaAl2(OH)2[Si2O7]H2O - надежный индикатор метаморфизма повышенных давлений и низких температур).Нужно отметить, что в идеальных условиях реакции данного типа не зависят от иных кроме температуры и давления условий, но в реальных метаморфических системах присутствия других минеральных фаз и флюида несколько влияют влиять наРТ-условия фазовых переходов, что необходимо учитывать (такие данные получают в ходе экспериментального моделирования процессов метаморфического минералообразования).
Рис.1.127.Превращения в ряду андалузит-силлиманит-кианит.
Диапазон устойчивости у разных минералов различен, вследствие чего в породе некоторое время могут сохраняться ранее образованные минералы (например, неметаморфические на начальной стадии метаморфизма).