Особенности строения метаморфических горных пород. Стадии регионального метаморфизма

Метаморфические горные породы- результат преобразования пород разного генезиса, приводящего к изменению первичной структуры, текстуры и минерального состава в соответствии с новой физико-химической обстановкой. Главными факторами (агентами) метаморфизма являются эндогенное тепло, всестороннее (литостатическое) давление, химическое воздействие флюидов. Постепенность нарастания интенсивности факторов метаморфизма позволяет наблюдать все переходы от первично осадочных или магматических пород к образующимся по ним метаморфическим породам.

Метаморфические породы обладают полнокристаллической структурой. Размеры кристаллических зерен, как правило, увеличиваются по мере роста температур метаморфизма.

Метаморфизм (греч. «метаморфозис» – превращение) - это процесс преобразования первично магматических или осадочных пород под воздействием температуры (Т), давления (Р) и флюидов (F) преимущественно водно-углекислых жидких или газово-жидких, содержащих ионы К, Na, Ca, F, B, S и других, часто существующих в надкритических растворах. Метаморфические изменения в горных породах начинаются при повышении температуры до +200°С и увеличении всестороннего, т.е. литостатического давления, вызванного весом вышележащих пород. Однако не только это давление играет важную роль. Не меньшее значение имеет стресс, боковое давление, обеспечивающее различное напряженное состояние горных пород, в результате которого открываются пути для миграции глубинных мантийных флюидов, являющихся главными переносчиками тепла, т.к. кондуктивный теплообмен в горных породах крайне незначителен. Без флюидного потока вероятность метаморфизма невелика, хотя необходимо принимать во внимание и геотермический градиент, который сильно изменяется в разных районах (от 5° до 180° и даже более на 1 км глубины). Перечисленные выше главные факторы метаморфизма – температура, флюиды, давление оказывают влияние на любые горные породы, находящиеся на различной глубине, при этом время не особенно важно при метаморфизме. Например, лавы раннего протерозоя (2,2 млрд. лет) в Прибайкалье, почти не отличаются от голоценовых лав (6-4 тыс. лет) Эльбруса; глины кембрийского возраста (550 млн. лет) под Санкт-Петербургом выглядят почти также, как и современные глинистые отложения; многочисленными нефтяными скважинами вскрыты неизмененные осадочные отложения на глубинах свыше 8 км. Известны случаи, например, на о. Исландия, где начальные стадии метаморфизма установлены на глубинах всего в 0,5 км по данным бурения. В тоже время толщи пород на глубинах в 20 км, если судить по данным сейсмических исследований, совсем не испытали метаморфических изменений. Поэтому флюиды являются одним из важнейших факторов метаморфизма.

Все метаморфические породы можно разделить на 2 группы, исходя из того, какие осадочные или магматические породы подвергаются метаморфизму.

1-ая группа – парапороды, образовалась из первично осадочных пород. Например, из карбонатных пород получаются мраморы, из песчаников – кварциты, из глин – филлиты и др.

2-ая группа – ортопороды, сформировалась из первично магматических пород, например, метабазиты – из базальтов.

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 км², 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 и подразделяется 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. 16.2.1).

Рис.16.2.1.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 (чемближе 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.

Ширина и площадь контактового (экзоконтактового) ореола зависит от типа, состава интрузивного тела и его температуры. Интрузивы типа небольших даек и силлов обладают экзоконтактами от первых см до первых м и ввиду низкой температуры наблюдается лишь узкая зона дегидратации пород. Крупные гранитные массивы, хотя и обладают 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 в контактовых ореолах развиты 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. Характерным 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 тридцатые годы 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 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 связь с геодинамическими обстановками (рис. 16.2.2). 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 большое 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.