Метаморфизм - это что такое?
Под воздействием давления, высокой температуры, выноса или привноса веществ в горные породы - осадочные, магматические, метаморфические, любые - уже после образования их происходят процессы изменения, и это - метаморфизм. Такие процессы можно разделить на две обширные группы: локальный метаморфизм и глубинный. Последний еще называют региональным, а первый - местным метаморфизмом. Это зависит от масштабов процесса.
Локальный метаморфизм
Локальный метаморфизм - это слишкам крупная категория, и его тоже подразделяют на метаморфизм гидротермальный, то есть низко- и среднетемпературный, контактовый и автометаморфизм. Последний является процессом изменения в магматических горных породах после застывания или отвердения, когда на них действуют остаточные растворы, которые являются порождением той же самой магмы и циркулируют в породе. Примеры такого метаморфизма - это серпентинизация доломитов, ультраосновных пород и основных, хлоритизация диабазов. Следующий вид характеризуется уже своим названием.
Контактовый метаморфизм происходит на границах вмещающих горных пород и расплавленной магмы, когда воздействуют температуры, флюиды (инертные газы, бор, вода), идущие от магмы. Ореолом или зоной контактовых воздействий может быть от двух до пяти километров от застывшей магмы. Эти породы метаморфизма часто демонстрируют метасоматоз, когда одни горные породы или минералы замещаются другими. Например, контактовые скарны, роговики. Гидротермальный процесс метаморфизма происходит, когда горные породы изменяются из-за водных термальных растворов, которые выделяются посредством застывания и кристаллизации извержения. Здесь также процессы метасоматоза имеют большое значение.
Региональный метаморфизм
Региональный метаморфизм происходит на больших площадях там, где земная кора подвижна и погружается под воздействием тектонических процессов большими территориями на глубину. При этом возникают особо большие давления и высокие температуры. Региональный метаморфизм превращает простые известняки и доломиты в мраморы, а граниты, диориты, сиениты - в гранитогнейсы, амфиболиты, сланцы. Так происходит из-за того, что на средних и больших глубинах такие температуры и показатели давления, что камень размягчается, расплавляется и снова течет.
Породы метаморфизма этого типа отличает ориентированность: когда массивные текстуры текут, они становятся полосатыми, линейными, сланцевыми, гнейсовидными, и все ориентиры даны относительно направления течения. Малые глубины такого не позволяют. Потому метаморфизм горных пород демонстрирует нам дробленые, сланцевые, глинистые или перетертые породы. Если измененные породы можно приурочить к каким-нибудь линиям, можно говорить о локальном приразломном дислокационном метаморфизме (динамометаморфизм). Образованные этим процессом породы называются милонитами, сланцами, какиритами, катаклазитами, брекчиями. Магматические горные породы, прошедшие все стадии метаморфизма, называются ортопородами (это ортосланцы, ортогнейсы и так далее). Если породы метаморфизма осадочные - их называют парапородами (это парасланцы или парагнейсы и так далее).
Фации метаморфизма
В определенных термодинамических условиях протекания метаморфизма выделяют группы пород, где минеральные ассоциации соответствуют этим условиям - температура (T), общее давление (Робщ), парциальное давление воды (PH2O).
Виды метаморфизма включают в себя пять основных фасций:
1. Зеленые сланцы. Эта фасция происходит при температуре ниже двухсот пятидесяти градусов и давление тоже не слишком высокое - до 0,3 килобара. Для нее характерны биотит, хлорид, альбит (кислые плагиоклазы), серицит (мелкочешуйчатый мусковит) и тому подобные. Обычно эта фасция наложена на осадочные породы.
2. Фасция эпидот-амфиболитовая получается с температурой до четырехсот градусов и давлением до килобара. Здесь устойчивыми являются амфиболы (чаще - актинолит), эпидот, олигоклаз, биотит, мусковит и тому подобные. Эту фасцию тоже можно наблюдать на осадочных породах.
3. Амфиболитовую фасцию обнаруживают на любых типах пород - и магматических, и осадочных, и метаморфических (то есть, эти фасции уже были подвержены метаморфизму - эпидот-амфиболической или зеленосланцевой фасции). Здесь метаморфический процесс проходит при температуре до семисот градусов по Цельсию, а давление вырастает до трех килобар. Для этой фасции характерны такие минералы как плагиоклаз (андезин), роговая обманка, альмандин (гранат), диопсид и другие.
4. Гранулитовая фасция протекает при температуре свыше тысячи градусов с давлением до пяти килобар. Здесь кристаллизуются такие минералы, в которых нет гидроксила (ОН). Например, энстатит, гиперстен, пироп (магнезиальный гранат), лабрадор и другие.
5. Эклогитовая фасция проходит при самых высоких температурах - более полутора тысяч градусов, а давление бывает и более тридцати килобар. Здесь устойчивы пироп (гранат), плагиоклаз, омфацит (зеленый пироксен).
Другие фасции
Разновидностью регионального метаморфизма является ультраметаморфизм, когда породы полностью или частично расплавляются. Если частично - это анатексис, если полностью - это палингенез. Еще различают мигматизацию - достаточно сложный процесс, при котором образуются породы послойно, где магматические чередуются с реликтовым, то есть исходным материалом. Гранитизация - процесс распространенный, где конечный продукт - самые разные гранитоиды. Это как бы частный случай общего процесса гранитообразования. Здесь нужен привнос калия, натрия, кремния и вынос кальция, магния, железа при активнейших щелочах, воде и углекислоте.
Диафторез или регрессивный метаморфизм тоже широко распространен. Ассоциации минералов, сформированных при высоких давлениях и температурах, замещаются их низкотемпературными фасциями. Когда амфиболитовая фасция накладывается на гранулитовую, а на нее зеленосланцевая и эпидот-амфиболитовая и так далее - происходит диафторез. Именно в процессе метаморфизма появляются месторождения графита, железа, глиноземы и тому подобное, перераспределяются концентрации меди, золота, полиметаллов.
Процессы и факторы
Процессы изменения и перерождения горных пород протекают в очень большие промежутки времени, они измеряются сотнями миллионов лет. Но даже не слишком по интенсивности значительные факторы метаморфизма приводят в поистине гигантским изменениям. Основные факторы - это, как уже было сказано, давления и температуры, которые действуют одновременно с разной интенсивностью. Иногда тот или иной фактор резко преобладает. Давление может действовать на породы тоже по-разному. Оно бывает всесторонним (гидростатическим) и направленным односторонне. Повышение температуры химическую активность увеличивает, все реакции ускоряются при взаимодействии растворов и минералов, что ведет к перекристаллизации их. Так начинается процесс метаморфизма. Раскаленная магма внедряется в земную кору, оказывает давление на горные породы, раскаляет их и с собой приносит множество веществ в жидком и парообразном состоянии, и все это облегчает реакции с вмещающими породами.
Типы метаморфизма разнообразны, так же разнообразны и последствия этих процессов. В любом случае прежние минералы преобразуются и образуются новые. При высоких температурах это называется гидрометаморфизмом. Быстрое и резкое повышение температуры земной коры возникает в случаях, когда магма поднимается и внедряется в нее, или это может быть результатом погружения целых блоков (больших участков) земной коры при тектонических процессах на большие глубины. Происходит несущественное расплавление породы, которое тем не менее заставляет руды и породы изменить химический и минеральный состав и физические свойства, иногда даже форма минеральных залежей меняется. Например, гематит и магнетит образуются из гидроокислов железа, кварц из опала, происходит метаморфизм углей - получается графит, а известняк вдруг перекристаллизовывается в мрамор. Преобразования эти происходят пусть долгим, но всегда чудесным образом, что дает человечеству месторождения полезных ископаемых.
Гидротермальные процессы
Когда идет процесс метаморфизма, не только высокие давления и температуры влияют на его характеристики. Огромная роль отведена гидротермальным процессам, где участвуют и выделяющиеся из остывающих магм ювенильные воды, и воды поверхностные (вандозные). Самые типичные минералы появляются таким образом в метаморфизованных породах: пироксены, амфиболы, гранаты, эпидот, хлориты, слюды, корунд, графит, серпентин, гематит, тальк, асбест, каолинит. Бывает, что те или иные минералы преобладают, их бывает настолько много, что даже названия отражают величину содержания: пироксеновые гнейсы, амфиболовые гнейсы, биотитовые сланцы и тому подобные.
Все процессы минералообразования - и магматические, и пегматитовые, и метаморфизмы - можно охарактеризовать как явление парагенезиса, то есть совместного нахождения в природе минералов, что обусловлено общностью процесса образования их и условиями сходными - и физико-химическими, и геологическими. Парагенезис показывает последовательность фаз кристаллизации. Сначала - магматический расплав, затем пегматитовые остатки и гидротермальные эманации, либо это осаждения в водных растворах. Когда магма контактирует с основными породами, она меняет их, но меняется и сама. И если изменения происходят в составе интрузивной породы, они называются изменениями эндоконтактовыми, а если изменяются вмещающие породы - экзоконтактовыми. Подвергшиеся метаморфизму породы составляют зону или ореол изменений, характер которых зависит от состава магмы, а также от свойств и состава вмещающих пород. Чем больше расхождение в составах, тем интенсивнее метаморфизм.
Последовательность
Контактовые преобразования сильнее проявляются у богатых летучими ингредиентами кислых интрузий. Вмещающие породы можно расположить в следующей последовательности (по мере уменьшения степени метаморфизма): глины и глинистые сланцы, известняки и доломиты (карбонатные породы), далее породы изверженные, вулканические туфы и породы туфогенные, песчаники, кремнистые породы. Контактовый метаморфизм возрастает с увеличением пористости и трещиноватости породы, поскольку в них легко циркулируют газы и пары.
И всегда, абсолютно во всех случаях, мощность зоны контакта прямо пропорциональна размерам интрузивного тела, а величине угла - обратно пропорциональна там, где поверхность контакта образует горизонтальную плоскость. Ширина ореолов контакта обычно составляет несколько сотен метров, иногда бывает и до пяти километров, в очень редких случаях - даже больше. Мощность зоны экзоконтакта намного превосходит мощность зоны эндоконтакта. Процессы метаморфизма в металлообразовании зоны экзоконтакта значительно более разнообразны. Порода эндоконтакта отличается мелкозернистостью, довольно часто порфировидна, содержит больше цветных металлов. В экзоконтакте интенсивность метаморфизма снижается довольно резко, удаляясь от интрузии.
Подвиды контактового метаморфизма
Рассмотрим подробнее контактовый метаморфизм и его разновидности - метаморфизм термальный и метасоматический. Нормальный - термальный, он происходит при довольно низком давлении и высокой температуре, существенного поступления новых веществ из уже остывающей интрузии не бывает. Порода перекристаллизовывается, иногда образуются новые минералы, однако существенного изменения химического состава нет. Глинистые сланцы плавно переходят в роговики, а известняки - в мраморы. Полезные ископаемые при термальном метаморфизме образуются редко, если не считать изредка встречающиеся месторождения графита и апатита.
Метасоматический метаморфизм хорошо виден на контактах с интрузивными телами, но проявления его часто бывают зафиксированы и в тех областях, где развивался региональный метаморфизм. Такие проявления достаточно часто могут быть связаны с месторождениями полезных ископаемых. Это может быть слюда, радиоактивные элементы и тому подобное. В этих случаях происходило замещение минералов, которое протекало при обязательном участии жидких и газовых растворов и сопровождалось изменениями химического состава.
Дислокационный и ударный метаморфизм
У дислокационного метаморфизма существует масса синонимов, поэтому если упоминаются кинетический, динамический, катакластический метаморфизм или динамометаморфизм, речь идет об одном и том же, что обозначает минеральное структурное преобразование горной породы, когда на нее воздействовали тектонические силы в зонах чисто разрывных нарушений при горном складкообразовании и безо всякого участия магмы. Основные факторы здесь - гидростатическое давление и просто стресс (одностороннее давление). По величине и соотношению этих давлений дислокационный метаморфизм перекристаллизует породу полностью или частично, но сплошь, или же породы раздробляются, разрушаются и тоже перекристаллизовываются. На выходе получаются разнообразные сланцы, милониты, катаклазиты.
Ударный или импактный метаморфизм происходит посредством мощной метеоритной ударной волны. Это единственный природный процесс, где могут наблюдаться такие типы метаморфизма. Главная характеристика - мгновенность появления, огромное пиковое давление, температура выше полутора тысяч градусов. Тогда наступает высокобарические фазы для ряда соединений - рингвудит, алмаз, стишовит, коэсит. Породы и минералы дробятся, разрушаются их кристаллические решетки, появляются диаплектовые минералы и стекла, все горные породы плавятся.
Значения метаморфизма
При глубоком изучении метаморфических пород кроме основных вышеперечисленных типов изменений нередко используют и некоторые другие значения этого понятия. Это, например, метаморфизм проградный (или прогрессивный), который протекает с активным участием эндогенных процессов и сохраняет твердое состояние породы без растворения, расплавления. Сопровождается появлением более высокотемпературных ассоциаций минералов на месте существования низкотемпературных, появляются параллельные структуры, перекристаллизация и выделение углекислоты и воды из минералов.
Также принимают во внимание метаморфизм регрессивный (или ретроградный, или монодиафторез). В этом случае минеральные преобразования вызваны приспособлением метаморфических пород и магматических к новым условиям на более низких ступенях метаморфизма, которые привели к появлению низкотемпературных минералов на месте высокотемпературных. Они образовывались во время предшествующих процессов метаморфизма. Селективный метаморфизм - процесс избирательный, изменения происходят выборочно, только в определенных частях толщи. Здесь действуют неоднородность химического состава, особенности структуры или текстуры и тому подобное.