( Метаморфизм. Метасоматоз. Мигматитообразование Метаморфизм. Метаморфические горные породы

С сайта В.Ю.Попова (http://popovgeo.professorjournal.ru/38)
Метаморфизм. Метасоматоз. Мигматитообразование
Метаморфизм. Метаморфические горные породы
Метаморфизм и факторы метаморфизма
Метаморфические реакции
Классы метаморфизма
Метаморфические фации
Систематика метаморфических горных пород
Метасоматоз. Метасоматические горные породы
Систематика метасоматических горных пород
Мигматиты и мигматитообразование
Метаморфизм. Метаморфические горные породы
Метаморфизм и факторы метаморфизма
Метаморфизм – процесс минеральных и структурно-текстурных
преобразований существующих горных пород любого состава и
происхождения,
протекающий
вследствие
изменения
термодинамических условий геологической среды вне зоны эпигенеза.
Исходные подвергающиеся метаморфизму породы часто называют
протолитом.
Изменяющиеся условия – главным образом повышение температуры
и(или) давления – определяют нестабильность существующих
минеральных парагенезисов, стремящихся к равновесию с новым
условиями. Подчеркнём две важнейшие особенности процессов
метаморфизма: 1) протолит в ходе метаморфических изменений
сохраняет твердое состояние (т.е. преобразование пород происходит
без их плавления, что отличает от магматических процессов и процессов
образования мигматитов), и 2) процесс метаморфизма является
субизохимическим – валовый химический состав метаморфической
породы и породы, за счёт которой она образовалась (протолита),
остаются одинаковыми (незначительные его изменения сводятся к
частичной потере флюидной фазы), т.е. система является односторонне
открытой, теряющей, но не приобретающей вещество извне.
Факторами метаморфизма, определяющими направленность и степень
изменения
исходных
минеральных
парагенезисов,
являются
температура, давление и наличие в породе флюидной фазы.
Температура. Повышение температуры связано с геотермическим
градиентом, обуславливающим нагревание погружающихся пород, либо
с воздействием внедряющихся магматических расплавов и горячих
флюидов.
Метаморфические
трансформации
начинаются
при
температуре около 200°С и продолжаются до плавления пород.
Давление. Основное значение при процессах метаморфизма играет
литостатическое давление, обусловленное весом вышележащих пород.
Литостатическое давление прямо пропорционально глубине (и,
соответственно, мощности толщи вышележащих пород), градиент
давления составляет от 0.26 до 0.32 кбар/км в зависимости от плотности
перекрывающих пород. Одновременно с литостатическим на породы
действует флюидное давление, под которым понимается давление
порового и межзернового флюида в породе. В большинстве случаев
принимается, что литостатическое и стрессовое давление равны.
Однако, при определённых условиях давление в массе пород может
превышать литостатическое. Причиной тому служит тектоническое
давление, связанное с деформацией пород и наиболее проявленное в
зонах разломов, или возникновение «флюидного сверхдавления».
Наличие градиента давлений имеет важное значение как фактор,
определяющий перемещение потоков флюидов из областей более
высокого давления в области более низкого. Эти флюидные потоки
являются главным переносчиком тепла и многих химических элементов.
Активность флюида. Наличие флюидной фазы в значительной степени
определяет общее давление в метаморфической системе, характер
деформации пород, теплоперенос, транспортировку веществ при
химических реакциях. Присутствие или отсутствие флюидов определяет
саму возможность метаморфических реакций: присутствие воды резко
ускоряет процессы перекристаллизации минералов, кроме того,
поскольку метаморфические реакции проходят в твердом состоянии, то
именно флюид обеспечивает перенос химических компонентов от
растворяющихся зёрен к образующимся. При этом важную роль имеет не
только количество, но и состав флюида, влияющий на изменение Р-Т
условий метаморфических реакций. Так при повышенной доли СО2 во
флюидной фазе начало многих метаморфических реакций смещаются в
сторону более низких температур.
Метаморфические реакции
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:
1. высвобождение атомов из кристаллических решёток неустойчивых
минералов,
2. образование центров кристаллизации стабильных минералов,
3.
движение
атомов
к
этим
центрам,
4. 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.
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 на РТ-условия фазовых переходов,
что необходимо учитывать (такие данные получают в ходе
экспериментального моделирования процессов метаморфического
минералообразования).
Диапазон устойчивости у разных минералов различен, вследствие чего в
породе некоторое время могут сохраняться ранее образованные
минералы (например, неметаморфические на начальной стадии
метаморфизма).
Классы метаморфизма
В зависимости от геологической обстановки и вклада того или иного
фактора метаморфизм и метаморфические породы принято разделять
на
несколько
классов: динамо-термальный
метаморфизм(охватывающий значительные по объемам и площади
участи и называемый в силу этого такжерегиональным), контактовый
метаморфизм и дислокационный метаморфизм.
Динамо-термальный (или региональный) метаморфизм охватывает
большие объёмы пород, пространственно соизмеримые с крупными
тектоническими
структурами,
и
обусловлен
одновременным
воздействием температуры, вызванной эндогенным тепловым потоком, и
давления.
Проявления
такого
метаморфизма
связаны
тектоническиактивными зонами, в частности с зонами горообразования.
Породы могут оказаться в условиях повышенных температур и давлений
и в случае пригибания территории вне зон проявления эндогенной
активности и высоких тепловых потоков; высокая температура
достигается за счёт геотермического градиента, а давление – за счёт
веса вышележащих пород. Такой тип регионального метаморфизма
называют метаморфизмом погружения. Изучение глубокопогружённых
толщ указывает, что при таком механизме осуществляются лишь
низкотемпературные
метаморфические
преобразования,
соответствующие начальным этапам метаморфизма.
Контактовый (или термальный) метаморфизм связан с воздействием
теплового потока магматических расплавов и сопровождающих их
флюидных потоков на вмещающие породы земной коры. Главным
регулирующим фактором образования метаморфических пород является
повышение температуры. Масштабы контактового воздействия на
породы зависят от состава, объёмов и температуры магматического
тела. Изменения пород на контактах с небольшими дайками, силлами и
лавовыми потоками имеют ширину от миллиметров до нескольких
метров, при этом в них не отмечается значительного преобразования
пород (иногда ограничивающегося лишь дегидратацией минералов).
Вокруг крупных интрузивов ширина экзоконтактовых ореолов достигает
больших масштабов - до сотен метров и километров. Наиболее мощные
экзоконтактовые зоны окружают крупные гранитоидные интрузивы, что
связано с насыщенностью гранитных расплавов флюидами. Отделяясь
от магматического расплава, они проникают в толщи вмещающих пород,
приводя к их нагреву. Степень преобразования пород экзоконтактовый
зоны снижается по мере удаления от интрузива: минеральные
ассоциации,
состоящие
из
высокотемпературных
минералов,
располагаются вблизи интрузива, низкотемпературные ассоциации – на
периферии контактовой зоны. Форма контактовых ореолов и
выделяемых
внутри
них
зон,
обличающихся
минеральными
ассоциациями, имеют сложные очертания, что связано с различной
флюидопроницаемостью толщи (максимальной в области трещин и
разломов) и составом пород. В случае воздействия флюидов на породы
реакции сопровождаются привносом-выносом элементов, то есть
система перестаёт быть закрытой; образующиеся минеральные породы
относятся уже к классу контактово-метасоматических породы.
Динамический (или дислокационный) метаморфизм протекает в
условиях повышенного давления при относительно низкое температуре
(точнее при отсутствии избыточного по сравнению с нормальным
геотермическим градиентом теплового потока). Главным регулирующим
фактором образования метаморфических пород является повышение
давления. Такой метаморфизм связан с зонами тектонических
деформаций (смятия, разломов). Интенсивность метаморфических
преобразований возрастает по мере нарастания интенсивности
тектонических
напряжений.
В малоглубинных условиях при низких температурах горные породы
ведут себя как хрупкие тела, что приводит к их дробления на обломки
разной размерности и формированию катаклазтических текстур. При
динамическом
метаморфизме
глубинных
пород,
обладающих
пластичностью, ведущим процессом является перекристаллизацией
вещества в условиях градиента давлений.
Фации метаморфизма
Вещественным отражением степени преобразования пород в процессе
метаморфизма являются минеральные парагенезисы – одновременно
кристаллизующиеся минералы, стабильно сосуществующие при данных
условиях метаморфизма. Изучение метаморфических парагенезисов
позволило разработать учение о метаморфических фациях, основы
которого заложены П. Эскола в 1920 г.
Метаморфическая фация – совокупность горных пород, претерпевших
метаморфизм в близких термодинамических условиях и вследствие
этого обладающих типичными для данных условий стабильными
парагенезисами минералов. На границах фаций протекают минеральные
преобразования, отражающие смену одних парагенезисов на другие,
устойчивые в новых термодинамических условиях. Учитывая это,
приведём
ещё
одно
определение,
данное
Н.Л.
Добрецовым: «Метаморфическая
фация –
Р-Т
область
метаморфизма, ограниченная линиями нескольких наиболее важных
реакций».
Все породы с одинаковым валовым химическим составом в условиях
одной фации представлены одной и той же фации представлены одной и
той же ассоциацией минералов. Это правило объясняет конвергенцию
составов
при
метаморфизме.
....
Схема выделения фаций и соответствующие им термодинамические
условия приведены на следующем рисунке.
....
В зависимости от направленности смены фаций разделяют
прогрессивный
и
регрессивный
метаморфизм.Прогрессивный
метаморфизм протекает в условиях повышения температуры и
давления и приводит к смене более низкотемпературных парагенезисов
на
более
высокотемпературные. Регрессивный
метаморфизм,
напротив, приводит с замене высокотемпературных парагенезисов на
более низкотемпературные (этот процесс называют диафторез).
Протекание реакций регрессивной ветви метаморфизма возможно
только при условии поступления в метаморфическую систему водного
флюида, необходимого для гидротации минералов. Именно из-за
отсутсвия воды на поверхности обнажаются метаморфические
комплексы, сформированные в глубинах при высоких температурах и
давлениях и не утратившие минмаморфических минеральных
ассоциаций при подъёме к поверхности.
Систематика метаморфических пород
Принципы систематики метаморфических пород приведены на
следующем рисунке.
.....
При рассмотрении подвергшихся метаморфизму пород среди них
целесообразно
выделять
породы
метаморфизованные
и
метаморфические.
Метаморфизованные – частично преобразованные в процессе
метаморфизма горные породы, сохранившие видимые признаки своей
первичной природы. К названию таких пород добавляется приставка
мета(например,
метапесчаник).
Метаморфические – горные породы, сформировавшиеся в результате
глубоких метаморфических преобразований, уничтоживших в процессе
перекристаллизации видимые признаки первоначальных структур,
текстур и минерального состава исходных пород. Глубокие
метаморфические преобразования приводят к полной замене исходного
минерального состава пород новыми минеральными парагенезисами.
Определение первичного состава метаморфических порода требует
применения специальных методик.
Метасоматоз. Метасоматические горные породы
Под метасоматозом понимают процесс преобразования горной породы
в твёрдом состоянии, сопровождающийся частичным или полным
изменением её химического и минерального состава. Как и при
метаморфизме, растворение существующих минералов и образование
новых происходит одновременно, благодаря чему порода сохраняет
твёрдое состояние, но в отличие от метаморфизма, при
метасоматических реакциях происходит активный привнос и вынос
химических элементов. Метасоматическая система является открытой.
Метасоматоз вызывается воздействием на породу (протолит) химически
отличного от нё флюида, и метасоматические реакции протекают между
твердой (горная порода) и жидкой или газообразной (флюид) фазами при
постоянном сохранении горной породой твердого состояния.
Регулирующими факторами метасоматоза являются: а) температура,
б) флюидное давление (зависящее от температуры), в) градиент
химических потенциалов компонентов в системе порода - флюид, г)
эволюция
Eh
и
pH
в
потоке
флюида.
В высокотемпературной области метасоматоз сопряжён с процессами
магмообразования; в низкотемпературной переходит в гипергенез (и
прекращается в условиях замерзания воды).
В зависимости от обуславливающих метасоматоз причин его разделяют
на
три
разновидности:
1. контактовый, связанный с воздействием теплового потока и флюидов
магматических тел на окружающие их породы; включая процесс
автометасоматоза – воздействия магматогенного флюида на успевшие
ранее
раскристаллизоваться
магматические
породы;
2. региональный, связанный с региональным эндогенными потоками
флюидов; такие потоки могут предварять и завершать магматизм, либо
не иметь с ним непосредственной пространственной связи;
3. гипергенный, приуроченный к зоне гипергенеза-эпигенеза и связанный
с химическим воздействием на породы фильтрующихся сквозь них
низкотемпературных растворов; обычно гипергенно-метасоматические
преобразования рассматривают как самостоятельный процесс –
гипергенез.
Систематика метасоматических горных пород
В соответствии с названными разновидностями метасоматоза, тип
метасоматических пород разделяют на три класса: контактово-
метасоматические,
метасоматические.
регионально-метасоматические,
гипергенно-
Контактово-метасоматические породы образуются в зонах внедрения
магматических
расплавов
и
обязаны
своим
происхождением воздействию
связанных
с
ними флюидов
на
вмещающие породы. Богатые флюидами интрузивы (особенно
гранитного состава) обрамляются обширными ореолами контактовометасоматических пород. К этому классу также относятся продукты
автометасоматоза - результат воздействия магматогенного флюида на
успевшие ранее закристаллизоваться магматические породы.
Регионально-метасоматические породы формируются в тектониески
активных зона под влиянием мощных потоков флюидов, сопутствующих
процессам формирования глубинных магматических очагов или вообще
не имеющих непосредственной связи с магматическими очагами.
В гипергенно-метасоматический класс
объединяются
породы,
сформированные в зоне гипергенеза (см. лекцию "Гипергенные
процессы.
Выветривание"),
образование
которых
обусловлено
химическим воздействием на породы фильрующимися сковзь них
водами (вне зависиморсти эндогенного или экзоненного происхождения).
Гипергенно-метасоматические
преобразования
традиционно
рассматриваются как самостоятельный процесс - гипергенез.
Метасоматиты каждого класса подразделяются на отряды по
химическому составу пород (обусловленному, в свою очередь, кислотнощелочными
свойствами
флюида,
приведшего
к
их
образованию); выделяют три отряда: щелочные метасоматиты,
кислотные
метасоматиты
и
основные
метасоматиты (или
базификаты).
Мигматиты и мигматитообразование
Мигматитом (от греч. migma, родительный падеж migmatos —
смешение, смесь) называют горную породу, состоящую из
метаморфического вмещающего вещества с жилками, близкими по
составу к граниту. В мигматитах присутствуют в два главных компонента,
создающих специфичную текстуру: 1) реликты исходной
метаморфической породы (так называемая палеосама) и 2)
новообразованные в ходе магматического и (или) метасоматического
процесса прожилки или линзы (неосома), часть из которых близка по
составу граниту.
По специфике своего образования метасоматиты подразделяются на три
генетических класса.
Метасоматические мигматиты образуются в ходе прогрессивного
кремне-щелочного или щелочного метасоматоза. В процессе
фильтрации флюид в первую очередь проникает по наиболее
проницаемым зонам – плоскостям сланцеватости, отдельности и пр., где
и
происходят
максимальные
химические
преобразования.
Образующаяся в этих зонах неосома (а при длительной интенсивной
флюидной переработке и вся порода) по составу приближается к
граниту. Формирование этого класса мигматитов происходит в
высокотемпературных условиях (на уровне амфиболитовой или
гранулитовой фаций метаморфизма) создаёт предпосылки для
последующего частичного или полного плавления породы и образования
гранитной магмы. Часто процесс такого образования мигматитов
называют «ультраметаморфизмом» (что, однако, не рекомендуется
действующим «Петрографическим кодексом России»).
Метаморфические мигматиты возникают в ходе изохимического
метаморфизма. Сопровождающий метаморфические преобразования
процесс дифференциации обуславливает обособление лейкократовых
минералов в прослои и жилки (лейкосома); остаточный материал
субстрата (рестит), обогащается меланократовыми компонентами –
возникает типичная для мигматитов контрастная полосчатость. При
достижении
лейкосомой
«гранитного»
состава
в
условиях
амфиболитовой или гранулитовой фации возможно её плавление.
Инъекционно-магматические мигматиты образуются в результате
тонких инъекций магматического расплава по плоскостям сланцеватости,
тонким трещинкам или другим мелким тектоническим элементам породы.
В этом случае строение мигматита определяется наличием исходной
породы и принизывающих её тонких прожилков магматической породы.
Систематика мигматитов приведена на рисунке ниже.
Совокупность эндогенных и гипергенных процессов определяют
круговорот вещества земной коры в ходе эволюции планеты.