3. Общие представления о метаморфизме. Факторы метаморфизма. Типы метаморфизма.

Метаморфизм — это процесс преобразования первично магматических или осадочных пород под воздействием температуры (Т), давления (Р) и флюидов (F), преимущественно водно-углекислых жидких или газожидких флюидов, содержащих ионы К, Na, Ca, F, B, S и др., часто существующих в надкритических растворах.

Метаморфические изменения в горных породах начинаются при повышении температуры до +200 °С и увеличении всестороннего, т. е. литостатического, давления, возникающего под тяжестью вышележащих пород. Однако не только это давление играет важную роль. Не меньшее значение имеют стресс, боковое давление, обеспечивающее различное напряженное состояние горных пород, в результате которого открываются пути для миграции глубинных мантийных флюидов, являющихся главными переносчиками тепла, т. к. кондуктивный теплообмен в горных породах крайне незначителен. Без флюидного потока вероятность метаморфизма невелика, хотя необходимо принимать во внимание и геотермический градиент, который сильно изменяется в разных районах (от 5° до 180° и даже более на 1 км глубины).

Перечисленные выше главные факторы метаморфизма — температура, флюиды, давление — оказывают влияние на любые горные породы, находящиеся на различной глубине, при этом время не особенно важно при метаморфизме. Например, лавы раннего протерозоя (2,2 млрд лет) в Прибайкалье почти не отличаются от голоценовых лав (6–4 тыс. лет) Эльбруса; глины кембрийского возраста (550 млн лет) под Санкт-Петербургом выглядят почти так же, как и современные глинистые отложения. Многочисленными нефтяными скважинами вскрыты неизмененные осадочные отложения на глубинах свыше 8 км. Известны случаи, например на о. Исландия, где начальные стадии метаморфизма установлены на глубине всего 0,5 км, по данным бурения. В то же время толщи пород на глубине 20 км, если судить по данным сейсмических исследований, совсем не испытали метаморфических изменений. Поэтому флюиды являются одним из важнейших факторов метаморфизма.

Все метаморфические породы можно разделить на две группы, исходя из того, какие осадочные или магматические породы подвергаются метаморфизму.

Первая группа — парапороды, они образовались из первично осадочных пород. Например, из карбонатных пород получаются мраморы, из песчаников — кварциты, из глин — филлиты и др.

Вторая группа — ортопороды, они сформировались из первично магматических пород, например метабазиты — из базальтов.

3.1 Фации метаморфизма

Метаморфические породы весьма разнообразны. Из одних и тех же исходных, первичных пород, в зависимости от действия факторов метаморфизма, могут образоваться различные метаморфические породы. Изменение температуры, давления, химического состава флюидов приводит к изменению минерального состава первичной породы, который стремится приспособиться к условиям. Этот комплекс новых минералов,или парагенезис (сонахождение),называется метаморфической фацией (рис. 16.1). Так как исходные породы, подвергающиеся метаморфическим изменениям, чрезвычайно разнообразны, то в пределах одной метаморфической фации могут существовать разные парагенезисы минералов, а одна исходная порода может давать разные метаморфические породы в различных фациях. Например, глина, метаморфизуясь, превращается в глинистые сланцы, а они в фации зеленых сланцев превращаются в филлиты; в амфиболитовой фации — в двуслюдяные сланцы; в гранулитовой фации — в биотит-гиперстен — кордиеритовые гнейсы.

Рис. 16.1. Основные фации метаморфизма

Указанные выше фации — зеленосланцевая, амфиболитовая и гранулитовая — отвечают ступеням метаморфизма: низкой, средней и высокой, отвечающим степени усиления метаморфических преобразований первичной породы (рис. 16.2, 16.3). Гранулитовая фация и соответствующий ей парагенезис минералов свидетельствуют о температуре +700–1000 °С, давлении от 2 до 12 Кбар и глубине 10– 40 км. При меньших температурах и давлениях другие минеральные парагенезисы будут характеризовать другие метаморфические фации — амфиболитовую, эпидот-амфиболитовую, зеленосланцевую, цеолитовую.

Переход от пород низших ступеней метаморфизма к высшим называется прогрессивным метаморфизмом. Если уже метаморфизованная порода подвергается воздействию более низких температур и давлений, то говорят о регрессивном (ретроградном) метаморфизме, или диафторезе.

Рис. 16.2. Метаморфические фации горных пород (по Л. Л. Перчуку и В. И. Фельдману).  Фации регионального метаморфизма: 1 — цеолитовая; 2 — пренит-пумпелиитовая;  3 — зеленых сланцев; 4 — эпидот-амфиболитовая; 5 — амфиболитовая;  6 — гранулитовая; 7 — голубых сланцев; 8 — эклогитовая.  Фации контактового метаморфизма: а — эпидот-альбитовых роговиков;  б — роговообманковых роговиков; в — пироксеновых роговиков; г — санидинитовая

Существуют породы, наиболее характерные для разных ступеней метаморфизма. Так, для низшей ступени типичны зеленые сланцы, образовавшиеся за счет базальтовых туфов и лав. Их зеленоватая окраска обусловлена развитием хлорита и эпидота.

Для фации зеленых сланцев также типичны филлиты, сложенные очень мелкими, меньше 1 мм, зернами кварца и чешуйками серицита и хлорита. Два последних минерала придают филлитам шелковистый блеск на плоскостях сланцеватости. Хлорит-серицитовые сланцыобразуются при метаморфизме глинистых пород, и для них типичны хлорит и слюда — серицит (мелкие чешуйки мусковита), а также кварц.

Рис. 16.3. Степени метаморфизма. Черная жирная линия —  рост температуры с увеличением глубины

К низким ступеням метаморфизма относятся весьма необычные породы — глаукофановые, или голубые, сланцы с голубой роговой обманкой, типичные для них минералы. Особенностью формирования этих пород является обстановка низких температур: +200...+400 °С и очень высоких давлений — до 12 кбар, а это отвечает глубине 40 км, если брать литостатическое давление. Но на такой глубине должна быть высокая температура. Однако в сильно метаморфизованных древних докембрийских породах голубые сланцы отсутствуют, хотя, судя по огромному давлению, они должны были бы там быть. Эти голубые сланцы являются результатом очень сильного стресса, т. е. одностороннего, а не литостатического давления, возникшего в условиях формирования крупных надвигов и покровов. Поэтому голубые сланцы образуют вытянутые полосы, которые простираются в соответствии с крупными разломами и характерны для зон субдукции.

К средним ступеням метаморфизма относятся разнообразные кристаллические сланцы и амфиболиты. Кристаллические сланцы — полосчатые породы, состоящие из кварца, полевых шпатов и слюд, образующихся как по осадочным породам — песчаникам и глинам (парагнейсы), так и по магматическим — лавам, гранитам и др. (ортогнейсы). Амфиболиты состоят из роговой обманки и плагиоклазов, иногда с биотитом и эпидотом, и формируются за счет метаморфизма базальтов и габбро — основных изверженных пород (ортоамфиболиты) и карбонатно-глинистых пород (параамфиболиты). Кристаллические сланцы — результат преобразования в основном глинистых пород, состоят из слюд, хлорита и амфибола, образующих характерную сланцеватость.

Амфиболитовая фация метаморфических пород образуется при температуре +500–700 °С и давлении 2–8 кбар. При таких высоких температурах породы начинают испытывать частичное плавление в отдельных тонких слоях с образованием мигмы, а вся порода превращается в мигматит — полосчатые метаморфиты, в которых чередуются полоски гранитного состава (мигма) с полосками темноцветных минералов, еще не вовлеченных в плавление.

К высшей ступени метаморфизма относится гранулитовая фация (температура +700–1000 °С, давление 4–12 кбар, глубины 10–40 км). Характерными породами этой фации являются гнейсы, двупироксеновые и кристаллические сланцы и эклогиты. Гнейсы состоят из кварца, ортоклаза, плагиоклаза, граната, кордиерита, пироксена, замещающего роговые обманки и слюды. Гранулиты образуются за счет как первично магматических, так и осадочных пород. Эклогиты сложены пироксеном — омфицитом и пироповым гранатом и представлены плотными тяжелыми породами, типичными для глубоких частей земной коры.

Таким образом, повышение температуры, давления и привнос флюидов приводят к изменению первично осадочных и магматических пород и превращению их в метаморфические, различных фаций и ступеней. Усиление действия этих факторов в конце концов приводит к избирательному плавлению наиболее легкоплавких компонентов породы, а потом и к полному плавлению. Этот процесс ультраметаморфизма, в результате которого путем различных пород могут образоваться граниты, называется анатексисом.

Изменения в первичных породах при метаморфизме. Процессы и факторы метаморфизма приводят к изменению минерального состава материнской породы. Например, при реакциях дегидратации происходят следующие превращения минералов:

• мусковит + кварц → силлиманит + калиевый полевой шпат + вода;

• коалинит → андалузит + кварц + вода.

Новые минералы возникают в результате химических реакций, а также перекристаллизации минералов первичной породы, которые приобретают новую форму и размеры (рис. 16.4). В связи с увеличением температуры начинается миграция, диффузия ионов сначала вдоль границ зерен минералов, а затем и внутри них, где небольшие ионы прокладывают себе путь между более крупными. И происходит этот процесс в твердом состоянии. В породах средней и высокой степеней метаморфизма можно встретить крупные, кристаллографически хорошо выраженные новые минералы, не типичные для первичной породы. Такие минералы или их скопления размером до нескольких сантиметров в диаметре называются порфиробластами. Они бывают особенно хорошо выражены в кристаллических сланцах.

Рис. 16.4. Новообразование минералов при прогрессивном метаморфизме

Если при метаморфизме химический состав породы не меняется, то говорят об изохимическом метаморфизме, а если изменяется, то об аллохимическом. Но изменения происходят не только с минералами. Происходит изменение структуры, текстуры, и наступает полная перекристаллизация первичной породы. Чешуйки слюды — биотита, мусковита, серицита — приобретают ориентировку в пределах плоскостей, а если минералы, например амфиболы, имеют игольчатую форму, то длинной осью они ориентируются в одном направлении, образуя линейную текстуру. В результате метаморфическая порода приобретает сланцеватую текстуру — тонкие пластинки, на которые порода разбивается при ударе молотком. Пластинки слюды в филлитах обеспечивают шелковистый характер породы. На образование сланцеватой текстуры особенное влияние оказывает стресс — одностороннее, а не литостатическое давление.