Главные типы метаморфизма и их продукты
В зависимости от условий протекания метаморфизма и масштаба, охватываемых данным процессом толщ, метаморфизм подразделяется на региональный (динамотермальный) и локальный (контактовый или термальный или метасоматоз, динамический или катакластический, автометаморфизм). В настоящее время выделяется и космогенный (импактный) или ударный метаморфизм, протекающий при падении метеоритов на поверхность Земли.
Наиболее удобная типизация метаморфических процессов основана на преобладании того или иного фактора метаморфизма. Ниже приведена общепринятая классификация видов метаморфизма.
Динамометаморфизм или дислокационный метаморфизмпроявляется в областях имеющих складчатое строение в зонах разрывных нарушений и сразу же исчезает за их пределами. Главную роль играет стрессовое (одностороннее) давление. Понятно, что здесь температур больших обычно не бывает. Но при трении температура может существенно повышаться вплоть до частичного плавления пород.
Породы, испытавшие динаметаморфизм, имеют общее название тектониты.Типичными продуктами динаметаморфизма являются тектонические брекчии, катаклазиты, милониты, ультра- и бластомилониты.Тектонические брекчии– породы, состоящие из сцементированных остроугольных продуктов тектонического дробления.Катаклазитыпредставляют собой различные породы, испытавшие сдавливание минералов. При этом хрупкие минералы пронизываются трещинами, мягкие – сминаются. Вмилонитахминералы пород раздавливаются, развальцовываются и вытягиваются в линзы, но при этом породы сохраняют свою целостность. Вультрамилонитахперетирание идет настолько сильное, что породы приобретают флюидальную текстуру, а иногда могут участками плавиться.Бластомилонитыиспытали перекристаллизацию чаще в форме диафторического процесса, что превратило их обычно в сланцы реже гнейсы.
Среди зон тектонитов выделяют:
1) зоны трещиноватости, имеющие вид полос, обладающие густой сетью тектонических трещин. Последние имеют кулисообразное расположение и могут заключать жильные породы;
2) зоны дробления,обычно сложенные тектоническими брекчиями, катаклазитами и милонитами;
3) зоны разрывов– это крупные структуры, вытянутые на многие километры и даже сотни километров, характеризующиеся исключительно высокой активностью тектонических движений;
4) зоны смятияхарактеризуются тем, что в них идет развитие смятий и интенсивное раскливажирование, а иногда рассланцевание горных пород.
Контактовыйметаморфизмподразделяется на контактово-термальный и контактово-метасоматический. Основная причина контактово-термального изменения - высокая температура. На контакте внедренных горячих магматических пород и вмещающих пород идет перекристаллизация последних. Например, из известняка образуетсямрамор, из песчаника –кварцит, из глинисто-песчаных породроговики. Чем дальше от контакта, тем меньше изменения. Вмещающие породы тоже воздействуют на магматические. Вдоль контакта распространяются зоны изменения с двух сторон –экзоконтакт(со стороны вмещающих пород), иэндоконтакт – со стороны магматических пород. Эндоконтактовые зоны обычно при таких взаимодействиях представлены зонами закалки.
Контактовый метаморфизм, происходящий при участии температуры и химически активных веществ является контактово-метасоматическим. Например, на контакте интрузии и вмещающих карбонатных пород, в результате воздействия давления, температуры и привноса новых веществ (газы, растворы) со стороны экзоконтакта образуются новые породы под названием скарны, состоящие из известково-железистных силикатов и рудных минералов (оксидов, сульфидов). Со скарнами обычно связаны месторождения полезных ископаемых, таких как руды железа, меди, свинца, цинка, вольфрама, золота и других. Со стороны эндоконтакта по полевошпатовым породам из-за привноса Са из вмещающих пород могут развиватьсяэпидозиты.
Контактовый метаморфизм возникает не только вдоль контактов интрузий, но на контакте с лавами. Лава обжигает горную породу, вызывая ее остекленение и частичную перекристаллизацию. Этот процесс называют каустическим метаморфизмом.
Динамотермальный(региональный)метаморфизмявляется наиболее распространенным, проявляясь обычно на огромных площадях. Главными его факторами являются – температура, давление, воздействие воды и углекислоты. Этот процесс идет тогда, когда эти большие площади опускаются на какую-то глубину. Особенно сильно этот процесс идет в активных геосинклинально-складчатых областях. Преобразование пород может быть очень сложное и зависит от сочетания давления, температуры и состава исходных пород. Так, например, песчано-алевритовые, глинистые осадочные породы по мере увеличения температур и давлений сначала преобразуются в глинистые сланцы, затем в зеленые хлорит-серицитовые сланцы, далее в слюдяные кристаллические сланцы и затем в паргнейсы. Основные эффузивы преобразуются в зеленые сланцы, затем в амфиболиты, ортогнейсы и в эклогиты. Все они обладают общим свойством – четко выраженной сланцеватостью - главной текстурой метаморфических пород. В этих породах широко развиты линейные и плоскопараллельные (полосчатые) текстуры – результат пластических преобразований исходных пород в условиях высокой температуры и большого давления на значительных глубинах.
В начале прошлого столетия швейцарский минералог У. Грубенманн, выделил в земной коре три зоны последовательно увеличивающихся с глубиной температур и давлений, в каждой из которых устойчивы свои минеральные ассоциации (парагенезисы):
1) эпизона – низкие температура и давление (стресс), устойчивы низкотемпературные минералы (тальк, хлориты, серицит, серпентин, альбит);
2) мезозона – средние значения температур и давлений (стресс плюс гидростатическое всестороннее давление), в равновесии находятся слюды, амфиболы, средний плагиоклаз:
3) катазона – зона максимальных температур и гидростатических давлений, содержит устойчивые соединения высокотемпературных безводных силикатов (пироксены, основной плагиоклаз, калиевые полевые шпаты). Предполагается, что на очень больших глубинах в мантии происходят глобальные метаморфические процессы. На границе мантии и земной коры идет процесс перехода базальтов в эклогиты.
В 1920 г. финский геолог М. Эскола предложил учение о метаморфических фациях, которое наглядно раскрывает сущность регионального метаморфизма (рис. ). Метаморфической фацией называется природная ассоциация минералов, возникших при определенных температуре и давлении в породах одинакового химического состава. В настоящее время различаются следующие метаморфические фации:
1) фация зеленых сланцев является самой низкотемпературной. Она характеризуется развитием в метапилитах слюдистых минералов – хлорита, серицита, мусковита, биотита, а также эпидота, альбита актинолита. Типичными породами данной фации являются глинистые сланцы (филлиты), зеленые сланцы (хлоритовые, хлорит-серицитовые, серицитовые). Кроме этих пород в этих условиях формируются спилиты, тальк-карбонатные породы, кальцитовые и доломитовые мраморы;
2) эпидот-амфиболитовая фация соответствует более высокому уровню метаморфизма, что вызывает появление в породах биотита, мусковита, обыкновенной роговой обманки, альмандина, олигоклаза и других минералов. Типичными породами являются кристаллические сланцы (слюдяно-гранатовые, слюдяно-кианитовые), гнейсы, мраморы и кварциты;
3) амфиболитовая фация широко распространена на кристаллических щитах и в фундаментах платформ. Породы представлены гнейсами, амфиболитами, кристаллическими сланцами, мраморами и кварцитами;
4) гранулитовая фация отвечает условиям высоких температур, при которых исчезают водосодержащие минералы. Породы этой фации - гранулиты содержат в виде изометричных зерен кварц, плагиоклаз, гранат и некоторые другие минералы;
5) эклогитовая фация отвечает не только высоким температурам, но и высоким давлениям. Породы – эклогиты имеют биминеральный состав, включающий гранат (пироп) и пироксен (омфацит). Условия образования таких пород соответствуют условиям верхней мантии и границы ее с земной корой.
Кроме фаций регионального метаморфизма М. Эскола выделял фации контактового метаморфизма – роговиковую и санидиновую, характерную для высокотемпературных лав.
В качестве своеобразной разновидности регионального метаморфизма выделяют статический метаморфизм, или метаморфизм нагрузки. Он вызывается гидростатическим давлением и повышенной температурой вследствие увеличения глубины протекающего процесса. Это понятие служит для обозначения метаморфизма без участия одностороннего давления при широком региональном распространении.
Рис. . Основные фации метаморфизма (из работы Н.В.Короновского, 2002)
Крайней формой проявления регионального метаморфизма является ультраметаморфизм (факторы – высокая температура, давление, флюиды и участие расплава гранитного состава), ведущий к мигматизации и анатексису. Анатексис – это процесс, вызывающий частичное расплавление горных пород и превращение их мигму. Мигматизация приводит к появлению смешанных пород, состоящих метаморфизованных вмещающих пород и вещества, находившегося в подвижном состоянии.Мигматитыимеют вид полосчатых гнейсов, в которых чередуются маломощные полосы шириной от миллиметров до первых сантиметров. Одни из них темные, состоящие из тнемноцветных минералов (биотит, амфибол, гранат), другие светлые - кварц-полевошпатовые. Такие породы могут слагать огромные толщи земной коры (рис. ). В зависимости от строения различают мигматиты глыбовые, ветвистые, послойные, складчатые и теневые (рис. ).
Автометаморфизм– происходит в медленно остывающих магматических породах. Минералы, образованные при магматических процессах, становятся неустойчивыми к флюидным компонентам, поступающим из глубоких частей материнских пород. Вследствие метасоматического преобразования за счет серпентинизации ультраосновных пород образуютсясерпентиниты. Граниты при автометаморфизме превращаются вгрейзены.Это обычно кварц-слюдистые породы с флюоритом, которые могут содержать ценные минералы – берилл, топаз, касситерит, вольфрамит и другие.
Рис. . Толщи мигматитов, обнаженные склонами Шагдаринского хребта
Ю-З. Памира (фото С.А. Ананьева)
Рис. . Складчатые мигматиты в гнейсовой толще Ю-З. Памира (фото С.А.Ананьева)
Метасоматоз по Д.С. Коржинскому «всякое замещение горной породы с изменением химического состава, при котором растворение старых минералов и отложение новых происходит почти одновременно, так что в течение процесса замещения порода все время сохраняет твердое состояние».Ведущий фактор метасоматоза – химически активные растворы. Процесс характеризуется значительным привносом-выносом вещества, приводящим к изменению химического состава исходных пород. Метасоматоз очень сложен, включает очень много разных процессов. По характеру переноса вещества выделяют диффузионный (порово-диффузионный, ионно-диффузионный) и инфильтрационный метасоматоз. Отличительным признаком метасоматических преобразований от магматических и метаморфических является уменьшение числа минералов с возрастанием интенсивности метасоматоза. Продукт метасоматоза – этометасоматит. По преобладающему новообразованному минералу выделяют процессы альбитизации, калишпатизации, карбонатизации, окварцевание и другие. Среди продуктов метасоматоза выделяют ряд формаций: скарны, грейзены, карбонатиты, щелочные метасоматиты и т.д.
Ударный метаморфизм протекает на земной поверхности в результате падения метеоритов. Он не связан с эндогенными и экзогенными процессами, а является геокосмическим процессом, поэтому в петрографическом кодексе предлагается выделить самостоятельный класс породообразующих процессов. В некоторых учебных пособиях продукты ударного метаморфизма рассматривают в составе катакластического метаморфизма.