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.
Различают следующие виды метаморфизма.
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.
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.
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.
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.
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.
Контактовый метаморфизм проявляется
в пределах ореолов химического и термального
воздействия интрузий на вмещающие породы.
Основными факторами этого метаморфизма
являются температура и химически активные
вещества. По данным В. С. Соболева, температурный
интервал, в котором происходит типичный
контактовый метаморфизм, заключается
в пределах 550—900 °С. Процесс идет при относительно
низких давлениях и широком развитии метасоматоза.
Летучие компоненты магмы, проникая в
виде растворов и газов в окружающие породы,
вступают с ними в реакцию и приводят к
резкому изменению их химического состава.
Особенно значительны воздействие химических
агентов и проявление метасоматоза на
контакте вмещающих пород с интрузиями
кислого состава; интрузий основных и
ультраосновных магм оказывают в основном
термальное воздействие на окружающие
отложения. В целом величина контактового
ореола, степень метаморфизма вмещающих
пород в ореоле и характер преобразований
зависят от температуры, объема и состава
внедрившегося расплава. Типичными породами
контактово-термального метаморфизма
являются роговики; к породам, образовавшимся
в результате контактово-метасоматических
процессов (метасоматитам), относятся
скарны, грейзены, вторичные кварциты.
С метасоматитами связано большое количество
месторождений полезных ископаемых (олово,
вольфрам, молибден, золото, полиметаллы).
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.
Региональный метаморфизм проявляется
на обширных участках и охватывает огромные
объемы пород, в пределах которых отсутствуют
переходы к неметаморфизованным отложениям.
Факторами регионального метаморфизма
являются температура, давление и химически
активные вещества, действующие совместно.
При региональном метаморфизме осуществляются
и изохимические и метасоматические процессы.
Формирующиеся при этом породы отличаются
большим разнообразием — сланцы, гнейсы,
кварциты, мраморы, амфиболиты, гранулиты,
эклогиты.
Региональный метаморфизм обычно
связан с активными геосинклинальными
областями, однако в отношении условий
его проявления существуют две принципиально
различные точки зрения. В соответствии
с первой точкой зрения причиной его является
длительное, устойчивое прогибание участков
земной коры, при котором осадочные и вулканогенные
толщи, погружаясь, попадают в условия
все более высоких температур и давлений.
Однако исследования последних лет показали,
что прогибание коры само по себе не является
причиной метаморфизма. В прогибах, где
нет складкообразовательных движений
и других деформаций, обычно отсутствуют
и проявления регионального метаморфизма.
В Прикаспийской впадине, например, мощность
практически неметаморфизованных осадочных
отложений достигает 25 км. Эти факты послужили
основанием для того, чтобы соотносить
региональный метаморфизм с орогенной
стадией развития коры, характеризующейся
интенсивным складкообразованием, подъемом
магматических масс и генетически связанных!
с ними термальных растворов. Последняя
точка зрения развивается в трудах Д. С.
Коржинского, Ю. А. Кузнецова, А. А. Маракушева
и завоевывает все большее признание.
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.
Как магматические, так и осадочные
породы с течением времени оказываются
погребенными под новыми толщами отложений.
Попадая в глубокие зоны земной коры, они
подвергаются метаморфизму, т. е. изменениям,
происходящим в породе под влиянием высокого
давления и высокой температуры в недрах
земли, а также воздействия глубинных
минеральных источников и газов. В результате
образуются новые породы, отличающиеся
от исходных только структурой - характерным
слоистым расположением минералов, за
что они получили название кристаллических
сланцев (сланцеватость – означает слоистость).
Из кристаллических сланцев
наибольшее практическое значение в строительном
деле имеют гнейс и глинистые сланцы. К
метаморфическим породам относят также
кварциты и мраморы, не обладающие сланцеватостью,
а характеризующиеся, как например в случае
мрамора, ярко выраженной зернистостью.
Текстуры метаморфических
пород
Текстура пород, как пространственная
характеристика свойств породы, отражает
способ заполнения пространства.
Сланцевая: большое распространение
в метаморфических породах получили листоватые,
чешуйчатые и пластинчатые минералы, что
связано с их приспособлением к кристаллизации
в условиях высоких давлений. Это выражается
в сланцеватости горных пород, которая
характеризуется тем, что породы распадаются
на тонкие плитки и пластинки.
Полосчатая — чередование различных
по минеральному составу полос (например,
у циполина), образующихся при наследовании
текстур осадочных пород.
Пятнистая — наличие в породе
пятен, отличающихся по цвету, составу,
устойчивости к выветриванию.