Метаморфические горные породы

Происхождение метаморфических пород. На земной поверхности

одним из важнейших процессов является процесс выветривания

(разрушения горных пород). Глубже располагается зона цемента­ ции. В этой зоне рыхлые породы уплотняются, цементируются.

Ниже этих зон, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие ки­

лометры, располагается зона метаморфизма.

Магматические и осадочные горные породы в процессе свое­

го сушествования и в результате процессов внутренней динамики

Земли могут попасть в такие участки земной коры, где темпера­

тура, давление и химизм среды резко отличны от условий обра­

зования этих пород. На оказавшиеся в этой зоне горные породы

кроме повышенного давления и температуры сильно воздейству­ ют активные химические соединения, циркулирующие в земной

коре. В новых условиях многие минералы вступают в реакции, образуя минеральные парагенезисы. При метаморфизме интен­

сивно изменяются первичный состав, строение и сложение по­

род. В целом под метаморфизмом горных пород понимают сушест­

венные изменения их минерального состава, структуры и

текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов

в земной коре с сохранением твердого состояния породы, без

расплавления или растворения. Достаточно редко, в особых усло­

виях, процессы метаморфизма сопровождаются переплавлением исходной породы с вмещающими породами или без них, и в результате образуются ультраметаморфические породы.

Изменение минералов и горных пород вызывается воздейст­

вием основных факторов метаморфизма: температуры и давления

с одновременным воздействием флюидов. Флюидами называют

жидкие или газообразные компоненты магмы или циркулирую­

щие в глубинах Земли насыщенные газами растворы. В их соста­

ве, как предполагается, преобладают пары воды, хлора, углекис­

лоты и многих других элементов и соединений. Воздействие

флюидов наиболее эффективно в связи с их способностью про­ сачиваться сквозь горные породы. В результате метаморфизма

изверженные и осадочные горные породы изменяют характери­

стики своего состава, меняют свою структуру и текстуру, а вслед­

ствие этого свойства; степень же и особенности этих изменений

зависят от интенсивности, характера и продолжительности мета­

морфических процессов.

Петрографы вьщеляют несколько видов метаморфизма: катак­

ластический, термальный и динамотермальный. Указанные виды метаморфизма корреспондируют с вьщеленными в генетической

классификации горных пород груnпами метаморфических пород:

85

регионального, контактового и динамометаморфизма, так как по­ следние больше характеризуют общие условия протекания про­ цесса метаморфизма, а вьщеленные в петрографии виды акuен­ тируют внимание на метаморфических факторах: давлении,

температуре или их совместном действии.

Катакластический метаморфизм по своему существу является

дислокаuионным, поэтому для него часто и употребляют это на­

звание. Этот тип метаморфизма приурочен к участкам развития дизъюнктивных нарушений - дислокаuий - типа сбросов и раз­ вит в их границах. Метаморфизм в данных условиях совершается

при сравнительно небольших давлениях и довольно низкой тем­

пературе. Происходит дробление крепких минералов или их де­ формации. Эти изменения протекают и в первоначальных струк­

туре и текстуре пород, и в результате происходит хрупкое

разрушение минералов и их перемещение. Трещины в породе не возникают, происходит преобразование породы в результате плас­ тических деформаций. Под влиянием таких деформаuий возмож­

ны химические изменения пород, когда неустойчивые минералы растворяются, а устойчивые растут в определенных направлениях.

Схема эта относительна и условна, так как в одних породах пре­

обладают чисто nластические деформации, в друтихэто, в основном, микроразрывные деформации, в третьихсочетание

тех и других. В одних случаях возможна перекристаллизация (как в глинистых сланцах), в друтих она не наблюдается. Все вместе

формирует самые разнообразные породы - от гранитоидон до тектонических брекчий, катаклазитов и милонитов.

При формировании термально-метаморфизованных пород глав­ ным фактором является температура, источник которой - магма. Под действием температуры на границах (контакте) интрузий об­ разуются ореолы, сложенные особыми контактово-метаморфизо­

ванными породами. Мощность зоны контактовых изменений бы­

вает различной и главным образом зависит от двух факторов:

состава и состояния вмещающих пород, температуры, состава и

продолжительности воздействия магмы. Так, установлено, что в глинистых и мергелистых породах она значительно больше, чем в

песчаниках или кварцитах. На контактах с ультраосновными и

основными интрузиями ее мощность значительно меньше, чем на

контактах с интрузиями кислых пород, например гранитов. Наи­

более типичными породами термального метаморфизма являются

контактовые роговики, скарны, породы кремнистого состава.

Динамотермальный метаморфизм дает самое большое разнооб­

разие пород с очень широким их распространением в земной

коре. В зависимости от условий протекания процесса различают региональный и локальный динамотермальный метаморфизм. Са-

86

моетоятельным видом регионального динамотермального мета­

морфизма является ультраметаморфизм. В каждом из этих видов

метаморфизма сложный комплекс взаимодействия температур,

стресса (рврядки напряжений), давления, иногда и флюидов

приводит к формирщшнию чрезвычайно широкого спектра мета­

морфических пород с весьма разнообразными физико-механиче­

скими свойствами.

В глубинных зонах складчатых областей региональный мета­

морфизм может сопровождаться переплавлением ряда пород (ульт­ раметаморфизм) с образованием смешанных горных породмиг­ матитов. Это очень сложные по структуре породы. Для многих из

них характерны слойчатость, послойные и секущие складки. Боль­

шое разнообразие структур мигматитов обусловливает весьма раз­ личную их прочность, неоднородность свойств, повышенную (по сравнению с другими массивно-кристаллическими породами) вы­

ветриваемость.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям за­

легания занимают промежуточное положение между магматиче­

скими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим породам. Типичными минералами явля­

ются слюды, кварц, хлорит, тальк.

Метаморфическим породам в целом присуша кристаллическая структура. Наиболее характерны следующие текстуры: сланцева­

тая - однообразное расположение (параллельно друг другу) пла­

стинчатых минералов и полосчитая - обособление минеральных

скоплений в форме полос, в виде слоев. Для пород типа кварци­

та характерны массивные текстуры.

Форма залегания. Метаморфические породы, возникшие из

глубинных магматических пород, более или менее сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадоч­ ных пород слоистость сильно деформируется. При контактном метаморфизме образуются своеобразные оболочки метаморфиче­ ских пород, окружающих магматические породы. Динамомета­ морфизм образует мощные зоны смятия, возникают сложные

складки. При региональном метаморфизме измененные осадоч­

ные породы часто сохраняют первичную слоистость.

В процессе движений земной коры метаморфические породы

могут быть выведены на дневную поверхность и служить объек­ том строительной деятельности человека. Они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строитель­

стве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагапри­ ятное действие, так как по плоскостям сланцеватости возможны

обвалы, особенно кровли горизонтальных подземных выработок.

Породы чаще всего бывают трещиноватыми. Метаморфические

87

Шiитчатые или листоватые весьма подвижные осыпи. Особенно

ярко это проявляется у слабометаморфизованных пород, напри­

мер у глинистых сланцев.

К породам, которые подверглись воздействию глубокого реги­ онального метаморфизма и имеют наибольшее распространение, относятся гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы. Несколько

реже встречаются мраморы и мраморизованные известняки,

обычно они приурочены к областям древней декембрийской

складчатости, где слагают массивы больших размеров.

Физико-механические параметры гнейсов в зависимости от

особенностей их состава, структуры и текстуры меняются в зна­

чительных пределах. При выветривании физико-механические свойства гнейсов изменяются особенно сильно. Наибольшей

стойкостью обладают кварцевые гнейсы; полевашпатовые и био­

титавые гнейсы выветриваются значительно интенсивнее, вШiоть

до того, что при испытании их на морозостойкость образцы мо­

гут распадаться на отдельные Шiитки. Некоторым гнейсам прису­

ща своеобразная очковая текстура, которая, по мнению ряда спе­

циалистов, резко снижает их прочность.

Наиболее прочными и устойчивыми метаморфическими поро­ дами являются кварциты. Обычно они слагают отдельные массивы мощностью до 100 м и более или залегают в виде прослоев различ­

ной мощности в толще таких же высокометаморфизованных слан­ цев. Кварциты - это массивные породы различной зернистости,

обладающие очень высокими прочностью, сопротивлением исти­

ранию, твердостью. Их сопротивление сжатию, как правило, пре­ вышает 150-200 МПа. Пористость ничтожно мала, их водопогло­

щение и воданасыщение составляют 0,2-0,3 %. Наличие жестких

кристаллизационных связей между слагающими минеральными

зернами, кроме того, приводит к исключительно высокой морозо­

устойчивости и слабой выветриваемости кварцитов.

Самое большое разнообразие физико-механических свойств наблюдается у кристаллических сланцев. От массивных метамор­

фических пород их отличает слоистость, сланцеватость, кливаж.

Эти особенности вызывают резкую анизотропность их свойств,

позволяющую раскалываться на тонкие, часто листоватые Шiит­

ки. Сланцеватость и кливаж сланцев, особенно хлорит-серицито­ вых и глинистых, способствуют соскальзыванию и оползанию их

как на природных склонах, так и на откосах искусственных вые­

мок. В зависимости от состава и степени метаморфизованности

прочностные свойства сланцев изменяются в широких пределах:

от нескольких десятков МПа у кристаллических до долей МПа у

глинистых разностей.

89

Кристаллические сланцы биотитового, мусковитового, дву­

слюдяного, кварцево-слюдяного, амфибол-биотитового состава

имеют прочность на сжатие (в средних значениях) в направле­

нии, перпеядикулярном сланцеватости, 120-160 МПа, при водо­ насыщении - до 80-11 О МПа, т. е. примерно на 30 % ниже. Слагаемые этими породами массивы являются достаточно проч­

ными с инженерно-геологической точки зрения, но, как прави­

ло, они сильно трещиноваты и поэтому сильноводопроницаемы.

Наиболее легко выветриваются среди указанных пород сланцы,

имеющие в своем составе биотит. Почти всегда в толще сланuев формируются «Карманы>> выветрелых пород мощностью до нес­

кольких десятков метров.

Своеобразную группу метаморфических пород образуют так

называемые <<зеленые>> сланцы - хлоритовые, хлорит-серицито­

вые, тальк-хлоритовые. Они сравнительно устойчивы к воздейст­

вию химического выветривания, но легко разрушаются при перио­

дическом промерзании и оттаивании. По прочности они уступают вышеописанным сланцам (Rсж у сухих образцов в среднем 45-60 МПа, а у воданасыщенных она снижается до 25-30 МПа,

т. е. почти вдвое). Наименее устойчивы к выветриванию глинистые

сланцы. В воздушно-сухом состоянии они обладают значительной прочностью (20-40 МПа), но при воданасыщении довольно часто

образцы просто разваливаются. Эти породы хорошо противостоят химическому выветриванию, а при воздействии таких факторов

физического выветривания, как <<замерзаниеоттаивание>>, легко

разрушаются, но в процессе физического выветривания на скло­ нах глинистые сланцы образуют рыхлые, подвижные, труднопро­ ходимые осыпи. Насыщение этих осыпей водой после сильных ливней приводит к формированию в горных районах селевых

потоков.

Карбонатные метаморфические породы могут образовываться

как при региональном, так и при контактовом метаморфизме, главным здесь является наличие среди факторов метаморфизма значительных температур и давлений. Наиболее характерной по­ родой этой группы является мрамор - перекристаллизованный

известняк, в котором между кристаллическими зернами имеется

непосредственная связь. Как и у всех пород, структура и тексту­

ра мраморов диктуют их физические и механические свойства. В

средних значениях временное сопротивление их сжатию состав­

ляет около 100 МПа. Приведем некоторые примеры. Среднезер­

нистые массивные мраморы протеразойского возраста из бассей­

на р. Амур характеризуются прочностью на сжатие в среднем 115 МПа, которая после воданасыщения снижается до 80 МПа, а после испытаний на морозостойкость падает до 70 МПа. Вместе

90

стем мелкозернистые доломитизированные мраморы достигали

прочности 200 МПа. Причем отдельные образцы превышали эти

значения, в то же время крупнозернистые <<сахаровидные>> разно­

сти мраморов имеют прочность, не превышающую 50-60 МПа.

Отличительной чертой мраморов среди метаморфических пород является их, хотя и слабая, но растворимость в воде, которая со­ держит углекислоту. Это определяет значительно меньшую закар­

стованность мраморных массивов, чем в толщах, сложенных из­

вестняками и доломитами. Мрамор довольно устойчив к

«обычному», без <<антропогенного дополнению>, выветриванию,

сохраняет крутые, вплоть до <<отвесныХ>>, природные склоны.

Наиболее распространенной породой, образующейся при тер­

мальном контактовом метаморфизме, являются роговики. Для них

характерна полная перекристаллизация исходного материала.

Обычно это темные плотные породы, имеющие однородную <<МО­

нотонную» структуру и мелкозернистую структуру. Чаще других

встречаются кварц-биотит-полевошпатового состава породьi, обра­ зовавшиеся по пелитовому материалу. С инженерно-геологической

точки зрения роговики рассматриваются как весьма благоприят­ ные основания для ответственных сооружений. Прочность их всег­

да значительно выше, чем у вмещающих пород, а от интрузивных

пород их выгодно отличает меньшая трещиноватость и значитель­

но большая однородность в массиве. Как известно, состав и строе­ ние пород определяют спектр изменения их физико-механических

свойств. Установлено, например, что диапазон изменения прочно­ сти норильских роговиков равняется 60-150 МПа. Наиболее вы­

сокими показателями физико-механических свойств обладают

тонко- и мелкозернистые разности, поиижеиные значения отмече­

ны для неравномерно-зернистых пород с пористостью до 3,5 %.

Все роговики устойчивы к выветриванию. Необходимо заметить,

что на сложенных ими природных склонах формируются обвалы, курумы, крупнощебенистые осыпи.

Тектонитыпороды, которые обычно не относят к класси­ ческим метаморфическим,- являются в то же время типичными

представителями катакластического метаморфизма и включают в

себя брекчии трения, катаклазиты, милониты. Это раздроблен­

ные, иногда перетертые породы различной степени цементации.

Брекчии трения состоят из различной величины обломков по­

род, как правило, необработанных, сцементированных тонкоразд­

робленной массой тех же пород. Катаклазиты отличаются от

брекчий трения меньшим размером обломков. Они характеризу­

ют начальные стадии изменения пород. Катаклазиты сохраняют

во многом черты исходного материала, поэтому соответственно и

различают катаклазиты гранитов, катаклазиты габбро и др. В це-

91