Метаморфизм и его типы

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 приобретают 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.

метаморфизм порода текстура

Глава 1. Понятие метаморфизма

Метаморфические породы возникают в результате глубокого преобразования осадочных, магматических или ранее существовавших метаморфических прод, которые называются исходными или первичными. Процессы метаморфизма происходят на глубинах, расположенных ниже зоны формирования осадочных пород.

Метаморфизм представляет собой процесс минералогического, структурно-текстурного, а иногда и химического приспособления исходных пород к новым термодинамическим и химическим условиям, происходящий при повышенных температурах и давлениях.

Таким образом, при метаморфизме в различных сочетаниях изменяются минералогический состав, структурно-текстурные особенности и в отдельных случаях, химический состав исходных пород.

Характерной особенностью любого метаморфического процесса является перекристаллизация исходной породы в твердом состоянии. Иначе говоря, в каждый данный момент метаморфического процесса ни вся порода в целом, ни сколько-нибудь ее существенная часть, не переходят в растворенное или расплавленное состояние. Жидкая фаза при метаморфизме присутствует только в подчиненных количествах.

Всякий метаморфизм сопровождается перемещением и перегруппировкой вещества, которые происходят в ходе перекристаллизации исходной породы. В одних случаях перемещение и перегруппировка вещества носят характер взаимодействия между составными частями исходной породы. При этом метаморфический процесс не сопровождается сколько-нибудь существенным изменением валового химического состава исходной породы (содержание воды и углекислоты не учитывается). Такой метаморфизм, не сопровождаемый привносом и выносом компонентов, называется изохимиским метаморфизмом или просто метаморфизмом. Вместе с тем в природе широким распространением пользуются процессы метаморфизма, при которых происходит не только минералогическое и структурно-текстурное изменение исходной породы, но и коренное изменение ее химического состава. Такие метаморфические процессы называются неизохимическими, или метасоматозом. Таким образом, метасоматозом именуется процесс замещения породы в целом или отдельных минералов с изменением химического состава. При этом растворение исходных минералов и образование новых происходят одновременно, так что порода в течение всего процесса сохраняет твердое состояние. В общем метасоматоз представляет собой процесс, при котором в результате привноса и выноса компонентов происходит трансформация валового химического состава изменяемой породы одновременно с ее перекристаллизацией.

Таким образом, под метаморфизмом (греч. metamorphoуmai- подвергаюсь превращению, преображаюсь) мы будем понимать процесс твердофазного минерального и структурного изменения магматических, осадочных и ранее метаморфизованных пород под воздействием факторов метаморфизма - температуры, давления и глубинных флюидов.[1]

Глава 2: Факторы метаморфизма и их значение

Метаморфизм исходных горных пород происходит под влиянием высокой температуры, высокого литостатического и одностороннего давления, а также химически активных растворов (флюидов), которые называются факторами или агентами метаморфизма. Например, повышение температуры способствует реакциям дегидратации и декарбонатизации; рост давления ведет к кристаллизации более плотных фаз; поля устойчивости минералов, содержащих Н2О и СО2, существенно зависят от состава флюида.

Большое значение при перекристаллизации исходных горных пород имеет длительность геологического времени. Экспериментальные исследования показывают, что результаты моделирования геологических процессов в лабораторных условиях часто не сопоставляются с природными процессами в силу краткосрочности экспериментов и невозможности учета всех условий, имевших место в природе.

Рассмотрим подробнее значение каждого из перечисленных факторов метаморфизма.[1]

Температура

Температура является ведущим фактором метаморфизма. Она стимулирует начало и увеличивает скорость химических реакций. Это обстоятельство при метаморфизме приобретает особое значение в связи с тем, что метаморфическим изменениям подвергаются породы, сложенные малоактивными при обычных температурах минералами. При воздействии на породы повышающейся температуры увеличивается их пористость, что приводит к повышению проницаемости флюидов. По данным Дж. Джонстона и П. Ниггли, скорость химических реакций удваивается при повышении температуры на 10°С, при возрастании температуры на 100°С скорость реакций увеличивается в тысячу раз, а при повышении температуры на 200°С - в миллион раз.

Нижний предел температуры метаморфизма, по А. Миясиро, близок к 150°С; B.C. Соболев считает минимальной температурой 380°С . Эта температура отвечает устойчивости хлоритов, самых низкотемпературных минералов изохимического метаморфизма. Метасоматоз может проходить при 100°С и ниже. Верхняя температурная граница метаморфизма для пород, близких по составу к гранитам, не превышает 700-750°С, а для пород основного состава - 1 000-1 100°С.

При изучении метаморфизма всегда возникает необходимость определения источников температуры. Возможными источниками повышения температуры являются близость магматических масс; повышение температуры с увеличением глубины; тепло, выделяющееся при тектонических движениях, и тепло, приносимое из недр Земли интрателлурическими растворами.

В недрах Земли тепло генерируется в результате следующих процессов:

1) гравитационной (плотностной) дифференциации, благодаря чему Земля приобрела оболочечное строение;

2) распада радиоактивных элементов;

3) приливного взаимодействия Земли и Луны.

Твердые приливы, связанные, главным образом, с гравитационным влиянием на Землю ее спутника - Луны, являются генератором тепла в земных недрах. Притяжение Луны вызывает на Земле приливные вздутия, перемещающиеся в приповерхностной зоне, при этом кинетическая энергия переходит в тепловую. Вклад твердых приливов в общий тепловой баланс не превышает первых процентов, но в прошлом, когда расстояние между Землей и Луной было гораздо меньшим, этот генератор тепла имел большее значение.

Радиоактивный распад элементов - один из важнейших процессов, генерирующих тепло в земных недрах. Считают, что

он является основным источником энергии внутриземных процессов, в том числе и метаморфических. Наиболее важные теплотворные изотопы - это 40К, 238U и 232Th, имеющие длительные периоды полураспада, которые измеряются миллионами лет. Например, период полураспада 238U равен 4 500 млн. лет, а у наиболее долгоживущего изотопа 232Th - 13 900 млн. лет. В ядре планеты радиоактивные элементы отсутствуют, большая их часть сосредоточена в земной коре и мантии.

Тепло из глубин переносится конвективным и кондуктивным путями. Конвективный теплоперенос - это перенос тепла магмой, флюидом. Кондуктивный теплоперенос - это перенос тепла путем механического колебания атомов и молекул в кристаллической решетке минералов.

Несмотря на исключительно большую роль высоких температур, действие только одной высокой температуры без участия химически активных растворов не может обеспечить существенной перекристаллизации исходных пород. Только совместное действие высокой температуры и химически активных растворов может привести к коренному преобразованию пород.[1]

Давление

Давление в Земле является вторым важным фактором, контролирующим метаморфические процессы. Различают литостатическое и ориентированное давление (стресс).

Общее давление в земной коре складывается из литостатического давления, возрастающего с глубиной, и давления флюидов, заполняющих поры в горных породах (флюидное давление). Литостатическое давление - это давление нагрузки, является всесторонним, определяется весом вышележащих толщ. Поровое флюидное (гидростатическое) давление обычно уравнивают с общим всесторонним давлением нагрузки. Главные флюидные компоненты - вода и углекислота (в меньших количествах сернистый газ, хлор и др.) присутствуют в поровых пространствах между зернами, в мельчайших трещинах практически всех пород, в особенности осадочных. В недрах Земли породы и заключенные в них флюиды подвергаются воздействию нагрузки вышележащих толщ и температуры. При этом флюиды оказывают на окружающую среду внутри порового пространства парциальное давление и способствуют химическим реакциям. В большинстве случаев принимается, что Рфл = Рлит, однако это условие не всегда соблюдается. Давление флюида может превышать литостатическое, в таком случае применяют термин «флюидное сверхдавление» (Добрецов Н.Л. с соавт., 1980; Сазонов А.М., 2007).

Величина всестороннего давления возрастает в зависимости от плотности пород в среднем на 270 бар на каждый километр погружения. Например, на глубине 10 км давление нагрузки соответствует 2,7 кбар, а на глубине 20 км - 5,4 кбар. В орогенных зонах в нижней части земной коры давление нагрузки оценивается в 15 кбар. Однако изучение минеральных парагенезисов, полученных экспериментальным путем, и сопоставление их с природными минеральными ассоциациями позволяют предполагать давление при метаморфизме, иногда достигающее 25-30 кбар. В связи с этим B.C. Соболев допускает возможность локального повышения давления в результате мощных тектонических движений. В процессе быстрых тектонических смещений (в зонах разломов) возникающее давление будет существенно превышать литостатическое.

Ориентированное давление, или стресс, как фактор метаморфизма еще недостаточно изучено.

Долгое время широким признанием пользовалась концепция А.Харкера, о существовании стресс-минералов, устойчивых только в условиях сильного ориентированного давления. К таким минералам были отнесены дистен, ставролит, хлоритоид и т.д. Однако развитие стресс-минералов в породах, не испытавших стресса, совместное нахождение стресс- и антистрессминералов и экспериментальные данные позволили сделать вывод о неприемлемости концепции А. Харкера в ее первоначальном виде.

По современным представлениям, породы, подвергшиеся ориентированному давлению, сминаются в складки либо дробятся, либо накапливают энергию деформации. Поведение пород при стрессе определяется их физическими свойствами, а также температурой, флюидным давлением в системе и глубиной протекания процесса. Горные породы при одностороннем давлении могут вести себя как хрупкие, пластичные и упругие тела. Благодаря стрессу метаморфические породы приобретают директивные текстуры (механическую и кристаллизационную сланцеватость, гнейсовидность). При метаморфизме он также нередко выступает как каталитический фактор, ускоряющий химические реакции и облегчающий циркуляцию химически активных растворов.[1]

Химически активные растворы

Флюиды - непременные участники метаморфизма. Несмотря на незначительный объем флюидной фазы, в метаморфизующейся системе их значение чрезвычайно велико. Во всяком случае, без участия хотя бы минимальных количеств растворов практически невозможны процессы перекристаллизации при метаморфизме, невозможны процессы взаимодействия между минеральными компонентами исходных пород.

Наиболее важными и преобладающими компонентами флюида являются вода и углекислота при подчиненном количестве сероводорода, соединений хлора, фтора, бора, гидроксидов калия, натрия, кальция. Средний состав метаморфизующего порового флюида, по данным B.C. Соболева, характеризуется следующими соотношениями молекулярных долей: 84 Н2О; 10 СО2; 2 H2S; 2 HF; 1,5 НСl; 0,5 N2. Вопрос об агрегативном состоянии химически активных растворов решается в пользу жидкого или жидкообразного состояния водных растворов. Это подтверждается, по мнению Д.С. Коржинского, независимостью активности воды от величины литостатического давления. Углекислый газ находится при метаморфизме, по-видимому, в газообразном состоянии, что определяет повышение его активности с увеличением давления.

В метаморфизуемых породах флюиды перемещаются путем диффузии и инфильтрации. Диффузионная миграция осуществляется путем перемещения веществ через неподвижные поровые растворы в сторону падающей концентрации. Миграция второго типа, называемая фильтрационной, происходит в результате медленного просачивания химически активных растворов по мелким трещинам, зонам рассланцевания и дробления.

Вода увеличивает проницаемость пород за счет большой смачивающей способности кристаллов. Кислоты и щелочи, растворенные в воде, усиливают эффект смачивания. Восстановленные флюиды (Н2 и др.) обладают низкой способностью смачивания.

Степень перекристаллизации зависит от окисленности метаморфизующего флюида. Состав флюида зависит от состава подвергающихся метаморфизмy пород. При метаморфизме глин, алевролитов и других первично терригенных осадков за счет реакций дегидратации выделяется вода. Напротив, при метаморфизме карбонатов высвобождается углекислота. При смешанном составе толщ должно меняться и соотношение между Н2O и СО2 во флюиде. Флюиды могут быть кислотными (H2S, CО2, Cl2, F2), щелочными (КОН, NaOH, Ca(ОН)2) и нейтральными. Например, процессы регионального метаморфизма проходят под воздействием растворов, близких к нейтральным; локальные процессы метаморфизма и метасоматоза осуществляются при воздействии щелочных или кислотных растворов.

Роль флюидов в метаморфических процессах многогранна. Они являются хорошим катализатором (в присутствии флюида идут легче реакции, быстрее устанавливается равновесие), средой, в которой переносятся компоненты химических реакций. Большая роль флюидов заключается в транспортировке тепла и его генерации. На больших глубинах присутствуют главным образом восстановленные флюиды. При их движении к поверхности они подвергаются окислению, благодаря чему выделяется значительное количество тепла.

Вопрос об источниках флюидных растворов трактуется разными исследователями неоднозначно. Таковыми могут быть небольшие количества растворов, первично содержавшихся в порах и мельчайших трещинках исходных пород. Количество таких растворов значительно варьирует в различных типах пород, однако в среднем, по данным У. Хуана, равняется 3%. Источником химически активных растворов во многих случаях являются магматические расплавы, внедрившиеся в толщу литосферы. Особенно большие количества растворов связываются с кислыми магмами, очень богатыми флюидной массой. Многие исследователи большую роль отводят глубинным сквозьмагматическим растворам, которые, поступая в литосферу, несут не только химически активны вещества (прежде всего Н2O), но и большие запасы тепловой энергии. Во всех случаях количество химически активных растворов остается незначительным, и эти растворы называются поровыми.

По современным представлениям предполагается, что основным источником флюидов является мантия, генерирующая флюиды в результате процессов дифференциации мантийного вещества. В меньшей степени признается определяющая роль порового флюида пород коры и летучих компонентов магм. В каждом конкретном случае вопрос об источнике метаморфического флюида должен решаться самостоятельно.[1]

Глава 3. Основные типы метаморфизма

Контактовый (термальный) метаморфизм связан с непосредственным воздействием на исходные горные породы магматических масс (интрузивных или эффузивных). Данный тип метаморфизма характеризуется относительно малой мощностью зон изменения. Его ведущим фактором является высокая температура, при этом другие факторы играют подчиненную роль. Химически активные растворы действуют как катализаторы химических реакций и являются средой для взаимодействия между компонентами. В ходе контактового метаморфизма возникают породы, которые называются роговиками. Контактовый метаморфизм осуществляется всегда на малых глубинах (Р = 2-3 кбар), на больших глубинах он становится неотчетливым и сливается с региональным метаморфизмом, а поэтому между ними возможны все переходы.[1]

рис. 1[2]

Динамометаморфизм (катакластический метаморфизм) связан с воздействием на породы сильного стресса при сравнительно невысоких температурах и низком гидростатическом давлении. Химически активные растворы большой роли не играют. В отличие от контактового метаморфизма, при котором главная роль принадлежит перекристаллизации, при динамометаморфизме основным процессом является механическое дробление пород и минералов, переходящее иногда в пластическое течение раздробленных частиц. Породы, возникающие при динамометаморфизме, обозначаются разными терминами и не имеют общего названия.[1]

Динамотермальный (региональный) метаморфизм связан с одновременным воздействием на исходные породы высокой температуры, большего гидростатического давления и сильного стресса. Химически активные растворы всегда участвуют в метаморфизме, но не оказывают решающего влияния на состав пород. Главным преобразующим процессом являются перекристаллизация и, возможно, пластическое течение. Породы этого типа метаморфизма называются кристаллическими сланцами и гнейсами.[1]

Ударный метаморфизм, протекающий на земной поверхности, вызван падением крупных метеоритов. Главным фактором здесь выступает давление. При падении метеорита практически мгновенно выделяется огромное количество энергии, расходуемой на механическое и тепловое изменение горных пород. В центре удара давление может достигать 10 000 кбар, а температура 10 000° С.

Благодаря этому в пределах метеоритных кратеров - астроблем - горные породы подвергаются сжатию, дроблению, плавлению и испарению. В результате механического разрушения и плавления пород возникают импактиты - лавоподобные метаморфические породы, состоящие из стекла со значительной примесью обломков вмещающих пород. Главной особенностью ударного метаморфизма является образование высокобарических минералов, не характерных для земных условий.

Среди таких минералов необходимо назвать модификации углерода: лонсдейлит и алмаз (морфологически отличный от земного), а также модификации кварца: стишовит и коэсит.

В настоящее время на Земле известно более 200 астроблем, крупнейшей из которых является расположенная на севере Восточной Сибири Попигайская (ее диаметр 100 км).[3]

Глава 4. Виды метаморфических горных пород

О реликтовой структуре говорят в том случае, когда в породе сохраняется текстура исходной материнской породы. Так в метаморфизованных осадочных породах сохраняется их слоистость. В условиях одностороннего давления создаются благоприятные условия для развития минералов, вытянутых в одном или двух направлениях (призматических, игольчатых и др.), а также для их упорядоченной переориентации в горных породах.

В результате образуются следующие основные виды текстур:

сланцеватая - при однообразной ориентировке пластинчатых или удлиненных зерен;

полосчатая - при линейном обособлении отделбных минералов или их скоплений;

плойчатая - когда минеральные обособления смяты в мелкие складки;

очковая или линзовидная, образованная линзовидными, параллельно ориентированными скоплениями минералов и некоторые другие.

В некоторых породах, особенно контактово-метаморфических наблюдаются массивные структуры. Формы залегания метаморфических пород в абсолютном большинстве случаев наследуются от пород исходных. исключения составляют формы залегания контактово - метаморфических пород, представленных контактовыми ореолами.[4]



Рис.3[4]

Глава 5. Понятие о метаморфических фациях

В основу современного подразделения метаморфических пород положен принцип метаморфических фаций, разработанный в 1915 г. П. Эскола. Этот принцип опирается на приложение правила фаз Гиббса к минеральным ассоциациям, достигшим равновесия при образовании породы. В работах В.Гольдшмидта и П. Эскола была показана большая зависимость минеральных парагенезисов метаморфических пород от химизма исходных пород и термодинамических (РТ) условий метаморфизма.

Понятие «фация метаморфизма» является фудаментальным в метаморфической петрологии. Вариантов определения фаций метаморфизма много. Классическое определение метаморфической фации формулируется следующим образом: метаморфические фации представляют собой группу пород, характеризующихся определенным рядом минералов, которые образовались в особых метаморфических условиях. Качественный и количественный минеральный состав пород в пределах конкретной фации изменяется в соответствии с изменением химического состава исходных пород. Границы между фациями проводятся по критической ассоциации минералов, которые оказываются устойчивыми только при PT-условиях данной фации. Наименование фации проводится чаще всего по названию характерного для них критического минерала или наиболее типичной породы данной фации.

Р.Х. Вернон (Вернон Р.Х., 1980) характеризуя понятие метаморфической фации, выделяет следующие ее особенности:

1. Метаморфическая фация - это набор парагенезисов метаморфических минералов, неоднократно возникавших в пространстве и во времени. При этом между минеральной ассоциацией и валовым химическим составом породы существуют постоянные соотношения.

2. Метаморфическая фация относится не к одному типу пород, а охватывает целый ряд их (или парагенезисов минералов), образовавшихся в одном интервале условий температуры, всестороннего давления и других переменных (например, состава присутствующего флюида).

3. Все породы с одинаковым валовым химическим составом в том случае, если они относятся к одной метаморфической фации, представлены одной и той же ассоциацией минералов.

4. Такие ассоциации, где бы они ни были обнаружены, должны быть стабильными или устойчиво метастабильными.

5. Схема метаморфических фаций - это удобная широкая генетическая классификация метаморфических пород в параметрах главных переменных - всестороннего давления и температуры. Наиболее полезна она при региональном и рекогносцировачном изучении метаморфических провинций, но для многих детальных исследований метаморфических пород эта схема оказывается слишком грубой.

6. Вследствие сложного характера метаморфических реакций, которые, вероятно, характеризуются не единичными линиями, а интервалами P-T, границы между фациями метаморфизма также следует рассматривать как постепенные.

7. Схему метаморфических фаций нельзя корректно приложить к регионам, в которых отсутствуют породы состава, благоприятного для кристаллизации диагностических ассоциаций.

Фации метаморфизма могут быть подразделены на субфации, в основе чего лежит тот же принцип, что и при выделении фаций, но это более мелкие подразделения.

Для определения метаморфической фации или субфации главными критериями являются критические и запрещенные парагенезисы. Критические парагенезисы - это такие парагенезисы, которые устойчивы только в данной фации или субфации. Запрещенные парагенезисы - это такие парагенезисы, которые невозможны в данной фации, но могут быть критическими для другой фации.

Главные требования к фациальным схемам, применяемым при картировании и построении карт метаморфизма, состоят в том, чтобы фации картировались и однозначно определялись по минеральному составу. Именно поэтому границы между фациальными подразделениями желательно проводить по маломинеральным моновариантным превращениям. Фациальные метаморфические схемы должны предусматривать также возможность параллельной диагностики фаций по разным классам пород (метапелитам, метабазитам, мраморам и пр.).[1]

Заключение

Целью данной работы было дать краткую характеристику основных понятий, используемых далее при обсуждении вопросов соотношения метаморфизма. А так же закрепить свои знания по основам геологической науки и практики, полученных в процессе изучения «Общая геология».

Размещено на Allbest.ru