Типы и условия проявления метаморфизма
Федеральное
агентство по образованию РФ
ТОМСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Геолого-географический
факультет
Кафедра
динамической геологии
МЕТАМОРФИЗМ
Курсовая
работа
Автор работы:
студент 02301
группы
Р.В. Голещихин
.
Томск
2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
.
Общее понятие о метаморфизме
.
Стадии и этапы метаморфизма
.
Общая характеристика и основные факторы метаморфизма
.1
Термальный метаморфизм
.2
Динамометаморфизм
.3
Метасоматоз
.3.1
Типы метасоматических процессов
.
Типы и условия проявления метаморфизма
.1
Локальный метаморфизм
.2
Контактовый метаморфизм
.3
Региональный метаморфизм
.3.1
Стадийность, зоны и фации регионального метаморфизма
.4
Катакластический метаморфизм
.
Горные породы метаморфизма
.
Роль метаморфизма в образовании месторождений полезных ископаемых
Заключение
Список
использованной литературы
метаморфизм горная порода ископаемое
ВВЕДЕНИЕ
Что такое метаморфизм? Слово «метаморфизм» в
переводе с греческого языка означает изменение, превращение. Понятие «метаморфическая
порода» было впервые введено Ч. Лейеллем. В геологии под метаморфизмом
понимается физическая и химическая переработка горных пород под влиянием
изменений физико-химических условий внутри Земли. В результате изменений
условий в земных недрах горные породы преобретают новые текстурные, структурные
свойства и минеральные качества. Зачастую новые породы по минеральному составу
значительно отличаются от первоначальных. На изменение первоначального строения
и состава пород основное влияние оказывает давление, температура, наличие
флюидов и химические процессы, происходящие на глубине.
1. ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О МЕТАМОРФИЗМЕ
Впервые идею о метаморфизме горных пород
высказал М.В. Ломоносов в 1763 г. в своем труде «О слоях земных». Он описал
превращение ила и глины в «дикий камень» в результате длительного слеживания и
«подземного огненного действия» с последующим «проникновением вод минеральных».
Об изменениях горных пород под влиянием внутреннего тепла Земли писал в своем
трактате шотландский ученый Дж. Геттон (1775).
Термин «метаморфизм горных пород» ввёл
английский геолог Ч. Лайель в 1883 г.
Метаморфизм - преобразование горных пород под
действием эндогенных процессов, вызывающих изменение физико-химических условий
в земной коре. Преобразованию могут подвергаться любые горные породы -
осадочные, магматические и ранее образовавшиеся метаморфические. В
физико-химических условиях, отличных от тех, в которых образовались горные
породы, происходит изменение их минерального состава, структуры и текстуры.
Изменение минерального состава при метаморфизме может протекать изохимически,
т.е. без изменения химического состава метаморфизуемой породы, и
метасоматически, т. е. со значительным изменением химического состава
метаморфизуемой породы за счет привноса и выноса вещества. Изменение структуры
и текстуры пород обычно происходит в процессе перекристаллизации вещества.
Особенность метаморфических процессов заключается в том, что они протекают с
сохранением твердого состояния системы, без существенного расплавления пород. Лишь
при определенных физико-химических условиях метаморфизм сопровождается
частичной или полной кристаллизацией исходных пород. Процессы подобного
характера объединяются под названием ультраметаморфизма.
В зависимости от интенсивности метаморфических
процессов наблюдается постепенный переход от слабо измененных пород,
сохраняющих состав и структуру исходных разностей, до глубоко преобразованных
пород, первичная природа которых практически утрачена.
Метаморфизм представляет собой сложное
физико-химическое явление, обусловленное комплексным воздействием температуры,
давления и химически активных веществ. Он протекает без существенного изменения
химического состава первичных пород.
Например, глины в процессе метаморфизма
переходят в гнейсы, базальт в амфиболит, породы ультраосновного состава в
серпентиниты.
Рис. 1. Схема метаморфизма горных пород
Метаморфизм генетически связан с тектоникой
литосферных плит, а именно с формированием субдукционных и рифтовых зон.
В зонах субдукции, где океаническая кора, как
более тяжелая, опускается под континентальную, образуются впадины (желоба),
которые со временем превращаются в геосинклинали. Аналогичная геологическая
обстановка создается и в зонах столкновения тектонических плит.
Рис. 2. В зоне субдукции происходит образование
глубоководных желобов и горных сооружений, а также затягивание континентальной
коры на большую глубину
Процесс формирования мощных многосотметровых
толщ происходит и в зонах рифтогенеза (раздвижения континентальной коры).
Рис. 3. Схема воздействия магматического
расплава на породы земной коры
Рифтогенез происходит с утонением
континентальной коры и проседанием ее на большую глубину. Отрицательные
структуры рельефа заполняются осадками (глинами, песком, органическими
веществами) и близлежащими горными породами. Все это происходит на фоне
повышения температуры за счет магматических масс, проникающих по глубинным
разломам к дневной поверхности.
Все три описанные выше геологические обстановки
происходят с понижением рельефа и переходом их в геосинклинали, формирование
которых происходит длительное время (несколько млрд лет). В настоящее время
гнейсы слагают древние структуры, т.н. щиты. Их возраст составляет 3 - 4,5 млрд
лет, поэтому можно считать, что метаморфизм это древний процесс, т.к. молодых
гнейсов в природе не существует.
2. СТАДИИ И ЭТАПЫ МЕТАМОРФИЗМА
Процесс метаморфизма постоянно находится в
динамике. На первой стадии метаморфизма при погружении осадков на большие
глубины низкотемпературные минеральные ассоциации замещаются
высокотемпературными. Все это происходит на фоне увеличения давления,
температуры и агрессивности флюидов. Первую стадию метаморфизма условно можно
подразделить на четыре этапа:этап - накопление осадочных, магматических горных
пород в геосинклинальных зонах.этап сопровождается медленным (1 - 2 млрд лет)
опусканием накопившихся осадков на большую глубину (до 30 км). В результате
глины преобразуются в гнейсы, породы основного состава - в амфиболиты, породы
ультраосновного состава - в серпентиниты, т.е. происходит перекристаллизация
вещества из одного состояния в другое без изменения химического состава. В это
время происходит смятие пород в складки, образование разрывных нарушений. этап
характеризуется широкой гранитизацией (метасоматозом) с формированием в
тектонических зонах крупных массивов плагиогранитов. Масштабный метасоматоз
сопровождается выносом флюидов в открытые трещины или в ослабленные участки
земной коры.этап - процесс формирования микроклиновых гранитов, пегматитов и
кварца, за счет флюидов, сформированных при региональной гранитизации.
Вышеперечисленные породы образуют секущие жилы в гнейсах, гранитах и
кристаллосланцах.
Вторая стадия метаморфизма называется
регрессивным метаморфизмом - это подъём глубинных метаморфических пород на
дневную поверхность. В результате происходит разрушение породообразующих
минералов и образование новых. Например, при разложении и переходе плагиоклаза
в глинистые минералы (процесс пелитизации) выносится большое количество кальция
с образованием эпидота, т.е. проявляется вторичный процесс (эпидотизация).
Обратный процесс Ф. Бекке назвал диафторезом. Диафторез, как правило, связан с
явлениями гидратации (присоединение молекул воды к молекулам или ионам). Горные
породы, претерпевшие регрессивный метаморфизм, иногда называют диафторитами.
3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ
МЕТАМОРФИЗМА
Метаморфизм - преобразование горных пород под
действием эндогенных процессов, вызывающих изменение физико-химических условий
в земной коре. Преобразованию могут подвергаться любые горные породы -
осадочные, магматические и ранее образовавшиеся метаморфические. В
физико-химических условиях, отличных от тех, в которых образовались горные
породы, происходит изменение их минерального состава, структуры и текстуры.
Изменение минерального состава при метаморфизме может протекать изохимически,
т.е. без изменения химического состава метаморфизуемой породы, и
метасоматически, т. е. со значительным изменением химического состава
метаморфизуемой породы за счет привноса и выноса вещества. Изменение структуры
и текстуры пород обычно происходит в процессе перекристаллизации вещества.
Особенность метаморфических процессов заключается в том, что они протекают с
сохранением твердого состояния системы, без существенного расплавления пород.
Лишь при определенных физико-химических условиях метаморфизм сопровождается
частичной или полной кристаллизацией исходных пород. Процессы подобного
характера объединяются под названием ультраметаморфизма.
В зависимости от интенсивности метаморфических
процессов наблюдается постепенный переход от слабо измененных пород,
сохраняющих состав и структуру исходных разностей, до глубоко преобразованных
пород, первичная природа которых практически утрачена.
.1 ТЕРМАЛЬНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ
Температура - важнейший фактор термального
метаморфизма, влияющий на процессы минералообразования и определяющий
формирование тех или иных минеральных ассоциаций. При повышении температуры
резко увеличивается скорость химических реакций и возрастает интенсивность
процессов перекристаллизации. Повышение температуры способствует
экзотермическим метаморфическим реакциям, идущим с поглощением тепла, вызывает
дегидратацию гидроксилсодержащих минералов, декарбонатизацию карбонатов и
приводит к образованию высокотемпературных минералов, лишенных конституционной
воды. Перекристаллизация в условиях роста температур приводит к появлению более
крупнозернистых структур.
Температурный интервал, в пределах которого
происходят типичные метаморфические преобразования, согласно данным В. С.
Соболева (1970 г.), находится в пределах 300-1000 °С. Ниже 300 °С вследствие
резкого падения скорости химических реакций метаморфические превращения почти
не происходят или совершаются крайне медленно; верхний предел ограничен
температурой начала плавления наиболее распространенных горных пород и отвечает
условиям образования магмы.
В общем случае интенсивность преобразований,
связанных с воздействием температуры, увеличивается с глубиной залегания пород
и ростом продолжительности теплового воздействия. Однако прямой зависимости
здесь не существует, поскольку в разных зонах коры значения теплового потока и
геотермического градиента различны. Этим объясняется неодинаковая степень температурных
преобразований пород, залегающих на сопоставимых глубинах, но в различных
областях земного шара.
.2 ДИНАМОМЕТАМОРФИЗМ
Давление - фактор динамометаморфизма. Различают
воздействие геостатического (петростатического) давления, которое создается массой
вышележащих толщ пород, и направленного давления (стресса), вызываемого
тектоническими движениями.
Геостатическое давление способствует реакциям,
идущим с сокращением объема твердой фазы, и приводит к образованию минералов с
более плотной упаковкой (и большой плотностью). Кроме того, геостатическое
давление вызывает повышение температуры плавления минералов, расширяя тем самым
интервал температурных преобразований в твердой фазе. В условиях всестороннего
давления формируются породы с однородной массивной текстурой.
Направленное давление (стресс) проявляется в
деформации пород и приводит к изменению их структурно-текстурных особенностей.
Под влиянием стресса минералы в породе приобретают закономерную ориентировку,
располагаясь длинными осями и плоскостями спайности перпендикулярно к
направлению давления. При этом формируются так называемые сланцевые текстуры,
характерные для обширной группы метаморфических пород - сланцев. Кроме того,
стресс оказывает каталитическое воздействие на процессы минералообразования,
ускоряя или замедляя их, и, вызывая дробление пород, повышает их фильтрационные
свойства, что способствует циркуляции метаморфизующих растворов.
Изменения геостатического и направленного
давления с глубиной неодинаковы: если первое в общем увеличивается, то второе,
наоборот, ослабевает. На глубинах свыше 10 км направленные давления практически
не проявляются, поскольку сокращение объема пустотного пространства в условиях
высокого геостатического давления приводит к пересыщению породы растворами и преобразованию
направленного давления в геостатическое. Однако и геостатическое давление
контролируется не только глубиной. Согласно расчетным данным его величина в
подошве земной коры не превышает 1300 МПа. Между тем изучение минералов,
полученных экспериментальным путем, и сопоставление их с естественными
ассоциациями минералов метаморфических пород показывают, что давления при
метаморфизме в земной коре могут достигать 2500 МПа. Отсюда следует, что при
определенных условиях величина давления зависит не только от массы вышележащих
толщ пород, но в значительной степени и от процессов направленного сжатия (в
том числе и в горизонтальном направлении), которые вызывают аномальное
увеличение давления на относительно небольших глубинах.
.3 МЕТАСОМАТОЗ
Химически активные вещества - третий и,
вероятно, самый главный фактор метаморфизма, который приводит к изменению
химического состава пород. К ним, прежде всего, относятся вода и углекислота; в
последнее время не меньшее значение придается водороду - газу, обладающему
высокими теплопроводностью и диффузионной способностью. Существенную роль
играют также соединения N, Cl, F, B, S и других элементов. В виде растворов
сложного состава эти вещества мигрируют через горные породы, оказывая на них
метаморфизующее воздействие. Согласно господствующей точке зрения, обоснованной
Д. С. Коржинским, А. А. Маракушевым и др., метаморфизующие растворы имеют
глубинное (подкоровое) происхождение. Вода, содержащаяся в осадочных породах и
освобождающаяся в процессе их высокотемпературного преобразования, не имеет
большого значения и обычно не сказывается на общем характере метаморфизма.
Основным фактором, по-видимому, являются восходящие горячие растворы, которые
диффундируют из недр сквозь мельчайшие пустоты пород и через магматические расплавы,
и, обогащаясь минерализаторами, становятся активными агентами метаморфизма. Об
огромной роли этих растворов можно судить по тому факту, что в так называемых
сухих системах, т. е. в породах, лишенных растворов вследствие малого объема их
пустотного пространства, даже при наличии высоких давлений и температур
метаморфические преобразования практически не происходят или идут крайне
медленно.
Рис. 4. Метасоматическое замещение биотита
кварцем
.3.1 ТИПЫ МЕТАСОМАТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Типы метасоматических процессов
В зависимости от способа перемещения вещества в
растворах различают метасоматоз диффузионный и инфильтрационный. К диффузионным
метасоматическим процессам относятся такие, при которых перенос компонентов
осуществляется диффузией в водном растворе. При инфильтрационном метасоматозе
перемещение вещества осуществляется течением раствора благодаря фильтрации и
просачиванию через горные породы. В природных условиях крайне редко проявляется
только инфильтрационный или только диффузионный метасоматоз, обычно имеется
преобладание того или другого способа переноса вещества, проявляющееся в
масштабах и строении метасоматических тел.
В зависимости от геологической позиции
метасоматоз можно разделить на автометасоматоз, контактовый, околожильный и
региональный.
Автометасоматоз связан с ранними
послемагматическими процессами и проявляется обычно в верхних частях
магматических тел и связанных с ними жильных образований. К
автометасоматическим процессам относятся, например, альбитизация в гранитах и
серпентинизация в ультраосновных породах.
Контактовый метасоматоз развивается в зоне
контакта интрузии с вмещающими, как правило, осадочными породами. Наиболее
яркими представителями являются скарновые образования, развивающиеся в раннюю
послемагматическую стадию на контакте интрузива с вмещающими карбонатной
породой (обычно контакт гранитов или диоритов с известняками или доломитами).
Также к контактовым метасомтитам относятся процессы "приконтактового
выщелачивания", грейзены, вторичные кварциты.
Околожильный метасоматоз (его иногда называют
околорудным) связан с образованием жильных и штокверковых месторождений.
Околожильные метасоматиты могут образовываться в широком диапазоне температур,
но всегда связаны с кислотной стадией послемагматического процесса.
Региональный (площадной) метасоматоз может
проявляться в различной геологической обстановке, чаще в условия больших
глубин.
В зависимости от химического состава различают
кремневый, щелочной, кислотный и др. метасоматоз.
4. ТИПЫ И УСЛОВИЯ ПРОЯВЛЕНИЯ МЕТАМОРФИЗМА
В природных условиях в различных участках земной
коры совместно проявляются несколько факторов метаморфизма, однако масштаб их
проявления в целом и относительная роль каждого фактора в метаморфическом
процессе определяются конкретной геологической обстановкой. По особенностям
пространственного размещения и размаху процесса различаются два основных типа
метаморфизма: локальный и региональный. Метасоматический метаморфизм может
сопровождать метаморфизм любого типа и поэтому развивается как в локальных, так
и в региональных условиях.
.1 ЛОКАЛЬНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ
Локальный метаморфизм контролируется конкретными
структурными элементами - разломами, контактами с интрузивными породами,
пликативными дислокациями. Образующиеся при этом метаморфические породы связаны
постепенными переходами с неметаморфизованными толщами. К локальным формам
проявления метаморфизма относятся контактовый и катакластический метаморфизм.
.2 КОНТАКТОВЫЙ МЕТАМОРФИЗМ
Контактовый метаморфизм связан с интрузиями,
которые, внедряясь в осадочные или ранее существующие изверженные породы,
вносят в земнуцю кору избыточное тепло (термометаморфизм). При этом интрузии
занимают какое-то пространство, раздвигают, сдавливают и уплотняют вмещающие
породы (динамометаморфизм).
Выделяющиеся из магмы газы и пары, вступая в
реакции с боковыми породами, способствуют образованию новых минералов
(пневматометаморфизм), а гидротермальные растворы обусловливают явление
метасоматоза. Таким образом, при внедрении магмы действуют все факторы
метаморфизма.
Вблизи контакта магмы и вмещающей породы
образуется пояс (ореол), сложенный метаморфическими породами. Чем сильнее
воздействие магмы, тем шире этот ореол. Контактовый метаморфизм
распространяется не только на вмещающие породы, но его воздействие захватывает
и краевую часть магматического тела. Это явление называется автометаморфизмом
(самометаморфизмом), термин в данном случае показывает, что магма сама
испытывает метаморфизм. Происходит это в связи с тем, что давление и явления,
связанные с трением при внедрении магматического тела, распространяются в
равной мере как на боковые породы, так и на магматическое тело.
Газы и пары также изменяют и магматическую и
вмещающую породу вблизи их контакта. Метаморфизм вмещающих пород получил
название явления аллометаморфизма. Таким образом, контактовый метаморфизм
совершается по обе стороны от контакта - на внешней (экзоконтактовый
метаморфизм) и на внутренней (эндоконтактовый метаморфизм) стороне. Ширина зоны
контактового метаморфизма очень различна. У интрузивных тел типа даек она
измеряется миллиметрами и сантиметрами, у крупных тел батолитового типа -
сотнями метров и даже километрами. Так, например, зона метаморфизма у одной
гранодиоритовой интрузии в Банате (Румыния) достигает 2 км, а у гранитного
массива в Эльзасе - 1,2 км. Интрузии основного состава образуют меньший ореол
метаморфизма, чем кислые интрузии, так как они в меньшем количестве содержат
летучие компоненты и, по-видимому, обладают меньшей энергией при внедрении.
Степень изменения пород при контактовом
метаморфизме неодинакова: вблизи контакта породы, естественно, изменены
сильнее, нежели на периферии зоны. Таким образом, создаются полосы различной
степени метаморфизма - так называемые метаморфические фации. Характер
метаморфической фации зависит не только от положения магматического очага, но и
от состава и физического состояния вмещающих пород. Например, метаморфизм
песчаников протекает совершенно по-иному, чем метаморфизм известняков. В то же
время породы пористые и трещиноватые метаморфизуются сильнее, чем плотные.
Иногда можно обнаружить участки более
метаморфизованных пород среди поля менее измененных пород. По-видимому, это
связано или с особым составом первоначальных пород в этих участках или с
какими-то более благоприятными условиями проникновения газов и паров.
Способность некоторых пород метаморфизоваться более других носит название
выборочного метаморфизма.
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.
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°.
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 РЕГИОНАЛЬНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ
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.
она 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.
В обстановке регионального метаморфизма процессы
преобразования пород могут достигать максимальной интенсивности, приобретая
характер ультраметаморфизма. Он обычно протекает на большой глубине в пределах
складчатых областей, где термодинамические условия допускают частичное или
полное переплавление пород. Главнейшие процессы ультраметаморфизма - анатексис,
палингенез и гранитизация.
Анатексис - частичное, избирательное выплавление
минералов кварц-полевошпатового состава из исходных пород. В различных
количествах расплав такого состава может получаться из любых осадочных и
пирокластических пород (за исключением карбонатов, эвапоритов и некоторых
других).
Палингенез - полное переплавление исходных пород
определенного состава с образованием гранитной магмы. Это явление обычно
связано с переплавлением гранито-гнейсов и осадочных пород, химический состав
которых отвечает гранитам.
Гранитизация - процесс химического и
минерального изменения пород любого состава с превращением их в граниты.
Согласно Д. С. Коржинскому (1952 г.) и А. А. Маракушеву (1973 г.) в процессе
гранитизации исходная порода обязательно проходит стадию магматического
расплава. Агентами гранитизации являются растворы, которые вызывают
расплавление исходной породы, а затем, диффундируя через расплав, изменяют его
состав до состава гранитной магмы. Компоненты гранитов при этом растворяются в
образовавшейся магме, а компоненты, «избыточные» по отношению к составу
гранитной магмы, выносятся растворами за пределы магматического очага.
Таким образом, в обстановке глубоких
метаморфических преобразований пород стирается граница между метаморфическими и
магматическими процессами и завершается тот круговорот в природе, идея которого
еще в начале века была высказана русским петрографом И. Д. Лукашевичем: магма
=> магматические породы =>осадочные породы => метаморфические породы
=> магма.
4.3.1СТАДИЙНОСТЬ, ЗОНЫ И ФАЦИИ РЕГИОНАЛЬНОГО
МЕТАМОРФИЗМА
Степень изменения пород при региональном
метаморфизме находится в прямой зависимости от степени изменения
термодинамических условий среды, ряд ученых в качестве главного критерия
изменения условий рассматривают глубину протекния процесса, поскольку именно
ею, в основном, определяется давление и температура.
При региональном метаморфизме различают три
стадии изменения горных пород.
Первая стадия - стадия низкой степени
метаморфизма или эпиметаморфизм. Ей соответствуют слабые изменения пород,
которые проходят при температуре около 500 С и давлении менее 500 МПа (5000
атм.). При этом механические процессы преобладают над химическими и в породах
сохраняются водные минералы. На этой стадии глины преобразуются в глиняные
сланцы, песчаники - в кварциты, известняки - в мраморы. Ей соответствует самая
верхняя зона метаморфических изменений - эпизона.
Вторая стадия - стадия средней степени
метаморфизма или мезометаморфизм. Ей соответствуют температура от 500 до 1000 С
и давление от 500 до 1000 МПа (от 5000 до 10000 атм.). На этой стадии
происходит потеря водными минералами химически связанной воды. В результате
глинистые и кварцевые породы преобразуются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые
породы - в гнейсы, основные - в амфиболиты (роговообманковые сланцы). Этой
стадии соответствует зона, расположенная ниже эпизоны, которая называется
мезозона.
Третья стадия - высокой степени метаморфизма или
катаметаморфизм. Преобразования на этой стадии происходят при температуре более
1000 С и давлении более 1000 МПа (10000 атм.). Гидростатическое давление
преобладает над боковым, а химическое воздействие на горные породы - над
химическим. В результате породы приобретают гнейсовую и массивную текстуру:
слюдяной сланец преобразуется в гнейс, среднезернистый мрамор - в
крупнозернистый, слюдистый кварцит - в кварцитовидный гнейс. Эти породы
образуют глубинную зону, располагающуюся ниже мезозоны - катазону.
В настоящее время, говоря о зонах метаморфизма,
имеют в виду всю совокупность физико - химических условий, создающихся на той
или иной глубине. В соответствии с этим большинство исследователей для
характеристики процессов метаморфизма и классификации метаморфических пород
пользуются понятием о метаморфических фациях. Под метаморфической фацией
понимается группа пород разного состава, образовавшихся в сходных
термодинамических условиях. В качестве показателей этих условий используют так
называемые индекс - минералы, устойчивые в строго определенных условиях
температуры и давления.
По наличию минералов - индексов выделены фации:
повышение температуры =>
фация зеленых сланцев
эпидот - амфиболитовая фация
амфиболитовая фация
пироксен - роговообманковая фация
гранулитовая фация
глаукофановая фация
эклогитовая фация
.4 КАТАКЛАСТИЧЕСКИЙ МЕТАМОРФИЗМ
Катакластический метаморфизм, или
динамометаморфизм, происходит под действием направленных давлений и заключается
в механическом разрушении (дроблении и перетирании) пород - катаклазе.
Катакластический метаморфизм проявляется в тех случаях, когда величина
направленного давления превышает предел прочности пород. В результате
катакластического метаморфизма в чистом виде, без участия температурного
фактора и термальных растворов, образуются катакластические породы с различной
степенью раздробленности: тектонические брекчии, катаклазиты,-милониты. Однако
в чистом виде катакластический метаморфизм происходит редко, поскольку
областями его максимального проявления служат зоны глубинных разломов,
являющиеся в то же время и основными путями подъема тепла и термальных
растворов из недр.
5. ГОРНЫЕ ПОРОДЫ МЕТАМОРФИЗМА
Гнейсы - горная порода, сложенная в основном
кварцем, полевыми шпатами, биотитом, роговой обманкой. Гнейсы имеют полосчатую
текстуру, т.е. закономерное распределение темноцветных (биотит, роговая
обманка) и светлоцветных (плагиоклаз, кварц) минералов в породе. В зависимости
от минералогического состава выделяют биотитовые или роговообманковые гнейсы.
По составу гнейсы близки к гранитам.
Граниты - полнокристаллическая горная порода,
состоящая из кварца, полевого шпата и цветных минералов - биотита, амфибола,
граната. Они имеют такой же минералогический состав как и гнейс, но
текстурно-структурные особенности другие (отсутствует полосчатость).
Граниты и их особенности:
Равномернозернистые, порфировые, пятнистые.
Реликты гнейсов, кристаллосланцев.
Более поздние образования по сравнению с
гнейсами.
Рис. 3.Гранит с гигантокристаллической
структурой
Образование гранитов связано с метасоматозом
(гранитизацией). Гранитизация развивается главным образом в глубинных зонах
геосинклиналей одновременно или несколько позже главных фаз складкообразования.
Масштаб гранитизации различен. В областях развития древних кристаллических
пород докембрия гранитизация может быть региональной (охватывать большие
площади). Гранитизация происходит под влиянием восходящих из недр Земли газовых
или жидких растворов и рассматривается как метасоматический процесс, связанный
с привносом щелочей и кремнезёма и выносом железа, магния и кальция.
Гранитизация происходит в два этапа. На первом этапе формируются плагиограниты
(кальциевый метасоматоз), на втором - микроклиновые (калиевый метасоматоз).
Причем вторые, как правило, развиваются по первым и замещают их.
Граниты, как показывают исследования,
сформировались в более позднее время, так как они развиваются по гнейсам и
замещают их. Размеры реликтов разнообразны. Разница в возрасте этих пород, а
следовательно, и процессов, около 1 млрд лет.
Неотъемлемой составляющей гранитоидных
комплексов являются пегматиты. Это как правило жильные тела.
Пегматиты - разнозернистая, преимущественно
крупнозернистая порода, состоящая из полевого шпата, кварца, иногда слюды
(биотита, мусковита). Пегматиты разделяют на керамические, мусковитовые,
мусковит-редкометалльные и редкометалльные. Керамические пегматиты содержат
письменный пегматит, в котором полевой шпат и кварц, закономерно прорастая друг
друга, образуют структуру, напоминающую древнееврейские письмена.
Рис. 5. Пегматит
Кристаллические сланцы - полнокристаллические,
отчетливо сланцеватые, нередко плойчатые породы. Наиболее распространены среди
кристаллических сланцев слюдяные сланцы, состоящие из слюды и кварца. Кроме
слюд, в кристаллических сланцах могут присутствовать гранит, дистен, амфибол,
ставролит, силлиманит и другие минералы. Соответственно различают дистеновые, ставролитовые,
силлиманитовые и другие кристаллические сланцы.
Базальт Кристаллосланец
Дунит
Серпентинит с асбестом
Рис. 6. Схемы изменения пород в результате
метаморфизма
Железистые кварциты - глубокометаморфизованные
осадочные или вулканогенно-осадочные кварцево-железистые горные породы, широко
распространенные в докембрийских образованиях. Представлены яснослоистыми,
обычно тонкополосчатыми кварц- или силикат-магнетитовыми или гематитовыми
породами, с преобладанием в отдельных тонких слоях (от 0,1 до 20 мм) какого-либо
одного минерала -- кварца, магнетита (или мартита), гематита, хлорита,
серицита, биотита, амфибола и других. Тонкополосчатые, яшмовидно-тонкозернистые
разновидности железистых кварцитов называют джеспилитами.
Совместно с железистыми кварцитами часто
встречаются древние зеленокаменные породы (метаморфизованные основные лавы).
Железистым кварцитам свойственна большая кремнистость, обилие и особая чистота
железа (малофосфористость), присутствие лептохлоритов и сидерита,
тонкозернистость, тонкая полосчатая слоистость, крайняя редкость оолитовых,
косослоистых и грубообломочных прослоев.
Фациальное своеобразие докембрийских толщ
железистых кварцитов, сильно отличающее их от обычных оолитовых шамозитовых руд
и от большинства других железорудных фаций последующих геологических периодов,
возможно, объясняется особыми неповторимыми условиями их образования.
Большинство исследователей связывают докембрийские толщи железистых кварцитов с
древними геосинклинальными областями и с особыми условиями отложения в докембрийских
морях.
При содержании железа свыше 25 - 30% железистые
кварциты являются промышленной железной рудой, требующей обогащения. С ними
связаны крупнейшие пластовые месторождения богатых малофосфористых железных
(магнетитовых, мартитовых, гематитовых) руд с содержанием Fe более 50%. Большие
месторождения железистых кварцитов в России находятся в районах Курской
магнитной аномалии и на Кольском полуострове. Известны также месторождения в
Украине (Кривой Рог, Кременчуг), в США (район Верхнего Озера), Канаде (п-ов
Лабрадор), Бразилии, Индии, Южной Африке. Синонимы: железистые роговики,
джеспилиты.
Рис. 7. Волнистая текстура джеспилита
Амфиболиты - метаморфическая горная порода,
состоящая из амфибола, плагиоклаза и минералов-примесей. Роговая обманка,
содержащаяся в амфиболитах, отличается сложным составом и высоким содержанием
глинозёма. В противоположность большинству метаморфических пород высоких стадий
регионального метаморфизма амфиболиты не всегда обладают хорошо выраженной
сланцеватой текстурой. Структура амфиболитов гранобластовая (при склонности
роговой обманки к образованию удлинённых по сланцеватости кристаллов),
нематобластовая и даже фибробластовая. Амфиболиты могут образовываться как за
счёт основных изверженных пород - габбро, диабазов, базальтов, туфов и др., так
и за счёт осадочных пород мергелистого состава. Переходные разности к габбро
называются габбро-амфиболитами и характеризуются реликтовыми (остаточными)
габбровыми структурами. Амфиболиты, возникающие за счёт ультраосновных горных
пород, отличаются обычно отсутствием плагиоклаза и состоят практически целиком
из роговой обманки, богатой магнием (антофиллит, жадеит). Различают следующие
виды амфиболитов: биотитовые, гранатовые, кварцевые, кианитовые, скаполитовые,
цоизитовые, эпидотовые и др.
Рис. 8. Роговообманковый амфиболит
Вышеперечисленные породы сформировались в архее
- протерозое, т.е. реконструировать процессы минералообразования при
метаморфизме очень сложно. Во-первых процессы протекали в большом промежутке
времени (около 3 млрд лет). Во-вторых, они закончили свою работу 500 - 600 млн
лет тому назад.
Для наглядности рассмотрим образование гнейсов,
которые являются вмещающими породами для гранитов, пегматитов, кварца, эпидота.
Метаморфизм горных пород с изменением только
содержания летучих компонентов (H2O, CO2, O2) условно называется изохимическим,
а связанный с изменением содержания породообразующих компонентов (K2O, Na2O,
CaO) - аллохимическим, так называемый метасоматоз.
Возраст метаморфических пород (3500 - 600 млн
лет) свидетельствует о том, что метаморфизм это длительный во времени процесс.
В архее и нижнем протерозое формируются гнейсы и крупные массивы гранитов,
гранодиоритов. Заключительным этапом метаморфизма можно считать формирование
пегматитовых жил, становление которых закончилось к концу протерозоя. В
относительно молодых структурах (начиная с палеозоя) метаморфические породы не
встречаются. Примером могут служить породы Донбасса, где на больших глубинах
устанавливаются высокие температуры, но метаморфических пород (гнейсов) нет.
Критерием для распознания метаморфического
процесса служит полосчатая, сланцевая текстура.
Закономерности распределения пород и породных
комплексов в местах метаморфизма. Породы, находящиеся в различных частях
погружающейся геосинклинальной структуры, испытывают различное давление, а
следовательно, и различную температуру и агрессивность флюидов. Все это
приводит к формированию различных минеральных ассоциаций или различных
метаморфических пород.
Совокупность метаморфических горных пород
различного состава, отвечающих определённым условиям образования и
распределяющихся в определенной закономерности в пределах геосинклинали,
называют фациями метаморфизма (или фациальным рядом). Определяющие факторы их
формирования - прежде всего давление, температура и агрессивность флюидов.
Рис. 9. Распределение метаморфических пород в
пределах геосинклинальной структуры.
На больших глубинах образуются гнейсы, на
средних - сланцы, на малых - аргиллиты
Закономерности распределения метаморфических
пород можно наблюдать на геолого-структурной карте мира.
Рис. 10. Геолгическая карта мира
На карте видно, что самые древние породы на
планете Земля - щиты (выделены красным цветом), представленные
гранито-гнейсовыми породами. Они сформировались 2,6 млрд лет назад.
6. РОЛЬ МЕТАМОРФИЗМА В ОБРАЗОВАНИИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ
Изучение метаморфических пород представляет
большой практический интерес, так как с ними связано огромное количество
важнейших полезных ископаемых. Крупнейшие месторождения железа (Кривой Рог,
Курская магнитная аномалия и др.) связаны с регионально метаморфизованными
породами. Многочисленны месторождения руд железа (магнетит и гематит),
полиметаллов (меди, свинца и цинка), редких металлов (шеелита, молибденита,
оловянного камня). Особенно многочисленны месторождения полиметаллов, золота и
т.д. Многие метаморфические породы сами по себе являются полезными ископаемыми
и используются как строительный и декоративный камень; так, например, стены
Московского метрополитена облицованы различными метаморфическими породами:
мраморами Урала, Кавказа и Алтая, гнейсами, яшмами и др. Широко применяются
метаморфические породы для сооружения пьедесталов памятников, колонн и т. п.
В геологии, как известно, выделяют
динамометаморфизм и контактовый метаморфизм, определяемые другими факторами и
другим механизмом.Контактовый метаморфизм определяется магматизмом, динамометаморфизм
и тектоногенезом.
Поэтому они не могут относиться к разновидностям
метаморфизма. Контактовый метаморфизм и динамометаморфизм только вносят
путаницу в понимание метаморфизма.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Хотим еще раз подчеркнуть, что целью данной
главы было ввести читателя в курс проблем метаморфической геологии и дать
краткую характеристику основных понятий, используемых далее при обсуждении
вопросов соотношения метаморфизма. Тем же, кто намерен более глубоко вникнуть в
метаморфические проблемы, рекомендуем изучит четыре тома "Фаций
метаморфизма" под редакцией В.С. Соболева, изданной в 1970-1974 гг. и до
сих пор остающейся наиболее полной сводкой по проблемам метаморфизма. Желающим
же быть в курсе современных разработок в метаморфической геологии рекомендуем
читать журнал "Journal of Metamorphic Geology". К сожалению, в России
нет специализированного журнала, посвященного проблемам метаморфизма. Отдельные
статьи по метаморфизму можно найти в журналах "Петрология",
"Геология и геофизика", "Геотектоника" и в некоторых других
изданий.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Добрецов
Н.Л., Соболев В.С., Ушаков Е.И. Теоретические основы метаморфизма. Новосибирск:
Изд-во Новосиб. ун-та, 1974. - 182 с.
Кортусов
М.П. Метаморфические горные породы. Томск: ТГУ, 1984. - 120 с.
Миясиро
А. Метаморфизм и метаморфические пояса. М.: Мир, 1976. - 535 с.
Карлович
И.А. Геология: Учебное пособие для вузов. - 3-е изд. - М.: Академический
Проект: Трикста, 2005. - 704 с. - (Серия «Gaudeamus»)
Добрецов
Н.Л., Соболев В.С., Ушаков Е.И. Метаморфические фации и формации. Новосибирск:
Изд-во Новосиб. ун-та, 1980. - 92 с.