Понятие о метаморфизме и его факторах, типы метаморфизма

Метаморфизм (греч. «метаморфозис» – превращение) - это процесспреобразования 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.

Изменения в первичных породах при метаморфизме.

Процессы и факторы метаморфизма приводят к изменению минерального состава материнской породы. Например, при реакциях дегидратации происходят следующие превращения минералов

Мусковит + кварц → силлиманит + калиевый полевой шпат + вода

Коалинит → андалузит + кварц + вода

Новые минералы возникают в результате химических реакций, а также перекристаллизации минералов первичной породы, которые приобретают новую форму и размеры (рис. 16.1.4). В связи с увеличением температуры начинается миграция, диффузия ионов сначала вдоль границ зерен минералов, а затем и внутри них, где небольшие ионы прокладывают себе путь между более крупными. И происходит этот процесс в твердом состоянии. В породах средней и высокой степеней метаморфизма можно встретить крупные, кристаллографически хорошо выраженные новые минералы, не типичные для первичной породы. Такие минералы или их скопления, размером до нескольких см в диаметре, называются порфиробластами. Особенно хорошо они бывают выражены в кристаллических сланцах. Если при метаморфизме химический состав породы не меняется, то говорят об изохимическом метаморфизме, а если изменяется, то – аллохимическом.

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 метаморфизмявляется 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.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

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.

Ударный метаморфизм

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 в 60 т просто лежит на поверхности, не сделав 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, со скоростью 3-5 км/с, сжимающая горные породы с силой до 100 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 +10000°С и выше, причем нагрев происходит в момент разряжения сжатия, когда ударная волна исчезает. Все это сопровождается дроблением, плавлением и испарением вещества мишени.

Рис. 16.3.1. Стадии образования взрывного (метеоритного) кратера (по Л.Н. Хряниной, 1987): а-в – 1 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)

Горные породы, образующиеся при таком мгновенном ударном событии называются импактитами (англ. «импэкт» – удар) и подразделяются на 3 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 (греч. «диа» – пере, «плектос» – витой, крученый) 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. 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) переходит в более плотную (2,85-3,0 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.