Метаморфизмом называется процесс преобразования горных пород, происходящий в глуби Земли под действием эндогенных сил. Гораздо реже метаморфизм происходит на поверхности Земли – здесь он обусловлен падением крупных метеоритов.
Факторами метаморфизма являются высокие температуры и давление, а также воздействие различных флюидов: магматических газов, паров и др. Главнейшим фактором выступает температура. Влияние временного фактора при этом не проявляется.
Метаморфизму подвергаются горные породы осадочного, магматического и метаморфического происхождения. Провести четкую термическую границу между метагенезом и метаморфизмом достаточно сложно: она пролегает в пределах температур от 150° до 350° С (по разным авторам и для разных минеральных ассоциаций). То же самое относится и к глубинам, на которых начинает проявляться метаморфизм: в срединно-океанических хребтах метаморфизация начинается с глубины 0,5 км, а в пределах осадочного чехла плитных участков древних платформ метаморфизма может не быть даже на глубине 20 км. Явным признаком метаморфизма служит образование некоторых типичных минералов: графита, возникающего из антрацита, диккита – Al4 (OH)8 (Si4 O10) из каолинита и др. По мере роста температуры метаморфизм сопровождается плавлением горных пород: частичное плавление называют палингенезисом, а полное – анатексисом. Существует мнение, что благодаря именно анатексису возникли граниты. Анатексис, соответствующий высшей фазе метаморфизма, в легкоплавких кислых породах начинается при температуре 700° С, а в более тугоплавких основных породах при 1 000° С. Давление, обуславливающее метаморфизм, составляет от 2 до 30 кбар, а при ударном метаморфизме и гораздо больше. В результате метаморфизма изменяются минеральный состав, структуры и текстуры горных пород.
Изменение минерального состава ведет к исчезновению неустойчивых минералов и образованию устойчивых, соответствующих создавшимся термодинамическим условиям. Если смена минералов идет при неизменном химическом составе, то метаморфизм называют изохимическим. Если же имеет место привнос одних химических элементов и удаление других, то говорят об аллохимическом метаморфизме. Разновидностью последнего является метасоматоз – аллохимический метаморфизм, при котором объем пород не изменяется. Учитывая непостоянство минерального состава метаморфических пород, необходимо признать, что их названия являются, по сути, комплексными – они отражают скорее условия метаморфизма, чем минеральный состав пород.
Структурные изменения, прежде всего, заключаются в перекристаллизации пород, когда мелкозернистая порода превращается в крупнозернистую. Однако, благодаря анатексису возможен и обратный переход, часто проявляющийся при формировании кварцитов. В метаморфических породах нередко возникают крупные (в диаметре до 3 см и более) кристаллы с ярко выраженными гранями, ребрами и вершинами. В этом случае говорят о порфиробластовой структуре. Если минеральные зерна имеют изометричную форму, то структуру называют гранобластовой.
Изменения текстуры проявляются двояко. Во-первых, одновременно с перекристаллизацией породы в ней исчезают поры, каверны, и возникает массивная (плотная) текстура. Во-вторых, под действием направленного давления, именуемого стрессом, формируются разного рода полосчатые текстуры (сланцеватая и линейная). Сланцеватая текстура, характерная сланцам, проявляется в образовании параллельно-пластинчатых пород. Причинами сланцеватости могут быть:
– свойство пластинчатых минералов (слюд, хлорита и др.) расти в плоскости, перпендикулярной направленному давлению (стрессу);
– первичная слоистость осадочных пород, претерпевшая переуплотнение во время метаморфизма и, благодаря этому, ставшая еще более яркой.
Линейная текстура, свойственная гнейсам, образуется игольчатыми или призматическими кристаллами, вытянутыми параллельно плоскости сланцеватости.
Всю совокупность процессов метаморфизма, в зависимости от площади их проявления, можно разделить на два типа: локальный и региональный. Каждый из типов включает несколько разновидностей.
ЛОКАЛЬНЫЙ МЕТАМОРФИЗМ
Локальный метаморфизм охватывает сравнительно небольшие площади, приуроченные либо к местам внедрения интрузий, либо к разломным структурам, либо, крайне редко, к местам падения крупных метеоритов. Соответственно, локальный метаморфизм подразделяется на три вида: контактовый, дислокационный и ударный. Главное отличие между ними заключается в факторе, обуславливающем характер процессов метаморфизма и, следовательно, особенности возникающих метаморфических пород.
Контактовый метаморфизм
Контактовый метаморфизм является следствием интрузивного магматизма, когда метаморфизму подвергаются горные породы, контактирующие с плутоном. Главным фактором здесь выступает температура. Толщина метаморфизирующихся слоев при этом зависит от следующих факторов:
– от объема интрузива: чем он больше, тем на большее расстояние распространяется метаморфизм;
– от глубины застывания интрузива (зависимость та же);
– от состава интрузива: ореол метаморфизма вокруг кислых интрузивов, насыщенных летучими компонентами, гораздо шире, чем вокруг основных интрузивов.
Минеральный состав возникающих при контактовом метаморфизме пород, в свою очередь, зависит от:
– состава интрузива;
– состава вмещающих пород.
Самыми характерными породами контактового метаморфизма являются роговики – плотные тонкозернистые породы серого или белого цвета с раковистым изломом, в основном состоящие из мельчайших спекшихся зерен кварца и образующиеся из глинистых пород. Роговики, возникшие близ интрузива, обладают гранобластовой структурой, а возникшие в середине ареала метаморфизма – порфиробластовой.
При воздействии больших объемов магматических растворов и газов активно протекают процессы метасоматоза. Так, при внедрении в известняки гранитоидной магмы, в условиях высоких температур и воздействия щелочных растворов, возникают скарны – крупнозернистые породы, состоящие из силикатов кальция и обогащенные турмалином, гранатами.
Под воздействием высочайших температур кварцевые песчаники переходят в кварцит – самую прочную из существующих на Земле горных пород, состоящую из кварца. Высочайшая прочность кварцита достигается за счет прорастания кристаллов кварца друг в друга, а также за счет вторичного кварцита, привнесенного в породу растворами и отложенного вокруг первичных песчаных зерен. При высокотемпературном воздействии кислых растворов на кварцево-полевошпатовые породы образуются грейзены и вторичные кварциты. Эти породы состоят из кварца и слюд, возникших благодаря метасоматическому разложению полевых шпатов. Метаморфизация известняков и доломитов ведет к формированию мрамора – породы от тонко- до крупнозернистой структуры, состоящей из кальцита, реже – доломита. Окраска мрамора, состоящего из чистого кальцита, белая; наличие примесей гематита и лимонита придает породе оттенки от розового и желтого до красного и бурого; серпентин и хлорит сообщают мрамору зеленую окраску, а присутствие метаморфизованной до графита органики – черную.