Метаморфизм
Метаморфизм – преобразование пород под воздействием внутренних эндогенных процессов, вызывающих изменения в земной коре.
Метаморфизм:
- прогрессивный (повышение Т и Р),
- регрессивный (понижение Т и Р, когда начинается повторный метаморфизм).
Факторы метаморфизма:
1. Температура. 300-400 – 900-1000ºС. Главный источник – энергия радиоактивного распада, гидротермальных растворов.
Геотермический градиент – какое изменение температура при углублении на 1 км (33ºС на 1 км), на БЩ 50ºС на 1 км.
При повышении температуры увеличивается скорость химической реакции, возникают новые минералы (гранат, кордиерит). При повышении температуры происходит дегидратация (удаление OH-) – каолин → андалузит; декарбонатизация.
2. Давление. 2 вида:
1) вышележащих пород (литостатическое) – увеличивается с глубиной;
2) кратковременное (связано с тектоническими нарушениями).
Если плотность 2,7 г/см3, то на глубине 10 км - 2,7 тыс. атм, на глубине 20 км – 5,4 тыс. атм.
1 кбар = 1004 атм.
Давление зависит от паров воды в породе (пары увеличивают давление). Минералы приобретают более плотную структуру, образуются новые минералы. Наблюдаются сланцеватые, ориентированные породы.
3. Стресс. Его действие оценивается до глубины 10 км, глубже он гасится. Стресс увеличивает растворимость минералов, приводит к дроблению (катаклаз), рассланцеватости. Происходит перекристаллизация (оливин – неустойчивый, дистен и хлориты - устойчивые).
4. Химически активные вещества: пары воды, CO2, H2, N2, Cl, B, F, S, Na, K и др.
Источник воды – процессы дегазации мантии, пары воды идут с глубины, следовательно изменяется химический состав пород.
CO2 возникает при декарбонатизации – разложения известняков: CaCO3=CaO+CO2
Они увеличивают скорость химической реакции и изменяют минералы.
Метаморфические породы:
1) ортопороды (возникшие по магматическим породам),
2) парапороды (по осадочным породам).
Состав метаморфических пород зависит от химического состава исходной породы и условий метаморфизма.
Типы метаморфизма:
1. Локальный:
а) катакластический (динамометаморфизм);
Катакластический (динамометаморфизм) – происходит под действием стресса, главный фактор – давление (глубина до 10 км, могут быть химические соединения). Проявляется в дроблении пород, нарушении структуры. Он совершается при низких температурах и высоких давлениях. Главные породы:
Брекчия – из угловатых обломков (2-3 – 5 см), сцементированы тонкорастертым материалом, который может подвергаться окварцеванию, ожелезнению, может быть любого состава.
Катаклазиты – из размеров меньших размеров. Могут развиваться по любой породе (катаклазиты гранита, песчаника), линзовидной формы. Порфирокластическая текстура. Видна структура обычной породы. Дробление сопровождается тем, что линзы обломков вытянуты и образуют определенную форму.
Милониты – тонко рассланцованный облик (мелкая брекчия под микроскопом). Материал подвергается растиранию. Более тонкосланцеватые, полосчатые.
Ультрамилониты – темные тонкосланцеватые, отсутствуют реликты первичной породы, имеют афонитовый облик.
Филлониты – линзовидная сланцеватая текстура. Образуются по глинистым породам, глинистым сланцам.
Часто развиваются низко температурные минералы – хлорит, серицит, кварц, кальцит, наблюдаются ожелезнение, сульфиды, кварцевые жилы.
б) автометаморфизм;
Автометаморфизм – происходит под влиянием изменившихся Т и Р, под воздействием растворов газов, находящихся в магматическом расплаве (нет сланцеватости, сохраняется структура первичной породы). Это регрессивный процесс – при низких Т и Р.
В зависимости от температуры выделяют 3 стадии:
1. Магматическая стадия Т > 600ºС. Изменение первичных минералов горных пород вследствие перехода твердых растворов в полиморфные модификации.
Например: При Т > 1400ºС кристаллизуется кристаболит SiO2,
При ↓ Т до 870ºС образуется тридимит SiO2,
При ↓ Т до 575ºС образуется α-кварц SiO2,
При ↓ Т до 230ºС образуется β-кварц.
Модификации КПШ – самый высоко температурный санидин (в эффузивных породах), а низко температурный микроклин (в интрузивных породах). При понижении температуры происходит распад твердого раствора (из КПШ выделяется альбит).
Пертиты – вростки альбита в КПШ.
Антипертиты - вростки КПШ в альбите.
Такие же структуры распада и у пироксенов. Возникают реакционные каемки – в центре оливин, его окружает гиперстен, который в свою очередь окружен роговой обманкой.
Очень часто минералы образуют сростания рудного вещества с нерудным – симплектиты – червеобразные сростания.
2. Пневматолитовая стадия Т 600-375ºС. Под действием летучих компонентов – воды, B, F. Они вступают в химические реакции.
Например: В габбро пироксен может замещаться амфиболом, анортит замещается альбитом.
Развивается смесь по глинистым минералам (серицит + цоизит + глинистые частицы + эпидот = соссюрит).
Происходят процессы: грейзинизация кислых гранитов (привносятся Si, F, Cl, B, Be, Li, Sn, W, Mo), амфиболизация, альбитизация (в кислых и щелочных породах) – альбититы (КПШ замещается альбитом).
3. Гидротермальная стадия Т < 375ºС. Происходит серпентинизация в у/о породах (при низкой температуре 400-350ºС по мере движения пород вверх).
Происходят процессы: каолинизация (развитие каолина по ПШ), серицитизация (по ПШ), эпидотизация (по ПШ), в щелочных породах развиваются цеолиты, хлоритизация (по темноцветным минералам – амфибол, пироксен, слюды).
в) контактовый;
Выделяют:
1. Контактовотермальный (роговики).
2. Контактовометасоматический (скарны).
(1) Контактовотермальный связан с тепловым воздействием интрузии и развивается на контакте с эффузивами. Главный фактор – температура: нижний предел – 200-300ºС, верхний - 1000ºС. Малая глубина, более высокая температура, основные породы тоже более высоко температурные, кислые породы – 700-800ºС, легче передают тепло. Образуются породы:
Роговики – образуются без существенного изменения химического состава и привноса элементов, приурочены к экзоконтактовой зоне интрузии. Могут образовывать ореолы, может проявляться зональность – по мере удаления от контакта смена высоко температурных на низко температурные. Ширина роговиков зависит от размеров интрузии, состава магмы, глубины становления тел (чем глубже, тем больше площадь), от крутизны падения тел.
Структура: тонкозернистая, мелкозернистая, гранобластовая, не образует вытянутых кристаллов. Текстура массивная. Выделяют роговики:
а) пелитовые,
б) Q-ПШ,
в) известковистые,
г) метабазитовые,
д) магнезиальные.
(2) Контактово-метасоматический. Взаимодействие между вмещающей породой и интрузией, осуществляемое на химическом уровне. Образуются скарны – на контактах гипабиссальных интрузий кислого и умеренно кислого состава (гранитов, диоритов, сиенитов и др.) и вмещающих пород – карбонатов. Скарны не образуют сплошных тел на больших расстояниях. Структура гетеробластовая – неравномерное распределение кристаллов, они не сланцеватые.
По составу выделяют:
а) магнезиальные – на контактах доломитов и у/о пород с гранитами. Минералы: форстерит, диопсид, шпинель, флогопит, магнетит;
б) известковистые – на контакте магматических пород и известняков на небольших и средних глубинах, обычно в складчатых областях и редко на платформах. Минералы: гранаты, пироксен, везувиан, волластонит, скаполит, эпидот, амфибол, хлорит;
в) силикатные – на контакте интрузии и карбонатсодержащих туфов, вулканитов.
По характеру расположения выделяют:
а) эндоскарны (за счет внутреннего контакта),
б) экзоскарны (за счет внешнего контакта).
Г) метасоматоз.
Метасоматоз - это процесс, при котором происходит привнос одних компонентов в систему и вынос других, что приводит к изменению химического и минерального состава метаморфизованной породы.
Региональный.
Метаморфизм обширных зон земли, участвуют все факторы метаморфизма. Образуются сланцы и гнейсы. Факторы регионального метаморфизма:
1. Повышение температуры (связано с температурным градиентом, с внедрением магм, с радиоактивным теплом).
2. Давление, определенное нагрузкой вышележащих пород, зависит от местоположения этой породы (обусловлено давлением вышележащих пород).
3. Процессы метасоматоза, связанные с внедрением магмы различного состава и прохождением различных трансформов.
Ультраметаморфизм – это региональный метаморфизм глубинных складчатых зон.
На больших глубинах осадочные и др. горные породы переплавляются и служат источником новой магмы. Термин ультраметаморфизм предложен для обозначения магматических процессов, при которых горная порода снова переходят в состояние магмы.
В литературе применяют 2 термина:
1. Анатексис – метаморфический процесс, ведущий к расплавлению твердых пород и превращению их в магму. Это понимается как частичное плавление пород. Анатектические породы – переплавленные породы.
2. Палингенез (=палингенезис) – образование магмы путем полного или частичного переплавления горных пород на глубине. Поэтому это полное переплавление пород.
Давление от 100 до 5-13 тыс. атм.
Температура от низких до 650-800ºС (гранулитовая фация).
Зоны ультраметаморфизма встречаются в древних структурах (AR). Малая распространенность пород среди молодых геологических структур объясняется их малым эрозионным срезом. В зонах ультраметаморфизма широко развиты процессы гранитизации и мигматизации, которые проявлены согласно с вмещающими породами.
Преобладающие породы: слюдяные гнейсы, мигматиты, амфиболиты, пегматиты, процессы будинажа.
Мигматиты – это кристаллические сланцы, гнейсы и др. породы, образующиеся от инъекции магмы между слоями осадочных пород вдоль плоскостей сланцеватости в метаморфических породах. Мигматиты – это породы смешанного состава, в которых в различной форме и количествах сочетаются субстрат (осадочно-метаморфический) и жильный материал.
К настоящему времени разработано большое число петрогенетических схем, как в России, так и за рубежом, однако ни одна из них не может быть расценена как универсальная.
Общепринято выделение 3-х типов метаморфизма или фациальных серий:
1) Тип А – низких давлений (3-4 кбар),
2) Тип Б – средних давлений (4-8 кбар),
3) Тип В – высоких давлений (8-15 кбар).
В пределе каждой серии выделяются фации метаморфизма, основанные на времени существования:
1. цеолитовая фация,
2. фация зеленых сланцев,
3. фация глаукофановых сланцев,
4. эпидот-амфиболитовая фация,
5. альмандин-амфиболитовая фация,
6. гранулитовая фация,
7. эклогитовая фация.
Все указанные особенности докембрия сильно затрудняют восстановление его геологической истории. Значительные трудности возникают и при определении возраста горных пород. Для этой цели используют непалеонтологические методы определения относительного возраста горных пород и методы определения их абсолютного возраста.
Расчленение докембрия. Во 2-й половине 19 в. на основании общих историко-геологических данных, степени метаморфизма пород и др. признаков в Северной Америке было предложено расчленение Докембрия на архей, или археозой (выделен Дж. Дана в 1872), и протерозой (установлен Э. Эммонсом в 1888). Граница между ними, по современным представлениям, совпадает с крупной эпохой складчатости и гранитизации, имевшей место 2500-2700 млн. лет назад.
Исключительное значение для установления возраста докембрийских горных пород имеют радиометрические методы определения абсолютного возраста. Особенно широко их стали применять в последние 15—20 лет, что позволило провести пересмотр стратиграфии докембрия. Давно используют непалеонтологические методы определения относительного возраста горных пород: стратиграфический, минералого-петрографический и тектонический. Палеонтологические методы стали применять только в последние годы для самых молодых, верхнепротерозойских отложений. Для этих отложений применяют и фациальный анализ.
Для докембрия не выработаны еще единые международные геохронологические и стратиграфические подразделения. Принято выделять две эры (группы) — архейскую и протерозойскую, границу между которыми зачастую провести нелегко. При помощи радиометрических методов установлено, что эта граница проходит на рубеже 2600 млн. лет. Протерозойскую эру (группу) обычно подразделяют на 2 подэры (подгруппы), более мелкие подразделения являются местными региональными.
Относительная и абсолютная геохронологические шкалы рассматриваются совместно. Данные абсолютного возраста, полученные для начала и конца той или иной стратиграфической единицы, дают возможность говорить о времени ее формирования. По этому принципу шкалу абсолютной геохронологии совмещают со шкалой относительного летоисчисления, что дает возможность рассматривать известные ранее временные таксоны относительной шкалы в миллионах лет.
МЕТОДЫизучения докембрийских пород
Раньше при изучении докембрийских пород учитывали исключительно геологические данные о соотношении отдельных комплексов между собой, а также степень их метаморфизма. В прошлом веке наблюдения над соотношением пород, образующих докембрийский фундамент древних платформ, и пород, слагающих чехол докембрийского возраста, привели к установлению крупнейших подразделений докембрия — архея и протерозоя.
В настоящее время проводят детальное изучение метаморфических комплексов, выясняют происхождение и последовательность напластования пород. При этом исследователи стараются выделить и установить распространение метаморфических комплексов, отличающихся один от другого по составу пород, залеганию, степени метаморфизма. Выясняют взаимоотношения этих комплексов, порядок залегания, условия образования. Исследуют контакты, особенно несогласного залегания, а также взаимоотношения с интрузивными породами. Такое изучение позволяет установить последовательность образования комплексов, условия их формирования, метаморфизм, время складчатости и внедрения интрузий.
МЕТОДЫизучения докембрийских пород:
1. Биостратиграфический,
2. Минералого-петраграфический,
3. Тектонический,
4. Метод относительной геохронологии,
5. Радиогеохронологический.
Биостратиграфический. Метод опирается на изучение ископаемых остатков организмов, т.е. на палеонтологию. Основу метода составляет закономерная необратимость эволюции органического мира. При этом полагается, что возникновение новых форм и их расселение на больших территориях протекает в геологическом смысле практически мгновенно (особенно по сравнению с длительностью формирования стратиграфических подразделений).
Главное преимущество метода заключается в неповторимости палеонтологической летописи. Широкое пространственное распространение многих форм, допускает корреляцию на основе этого метода отделенных друг от друга разрезов.
Для расчленения докембрийских образований и их корреляции биостратиграфические методы имеют ограниченное применение. Их используют для стратиграфического расчленения верхнего протерозоя (рифея и венда).
При определении возраста большей части докембрия применяют минералого-петрографический и тектонический, методы относительной геохронологии и радиогеохронологические.
Учение о последовательности формирования и возрасте горных пород называется геохронологией. Различаются методы относительной и методы абсолютной геохронологии.
Методы относительной геохронологии - методы определения относительного возраста горных пород, которые лишь фиксируют последовательность образования горных пород относительно друг друга.
Эти методы базируются на нескольких простых принципах:
1) В 1669 г. Николо Стенон сформулировал принцип суперпозиции, гласящий, что в ненарушенном залегании каждый вышележащий слой моложе нижележащего. Обратим внимание, что в определении подчёркивается применимость принципа только в условиях ненарушенного залегания.
2) Следующий важнейший принцип, известный как принцип пересечений, сформулирован Джеймсом Хаттоном. Этот принцип гласит, что любое тело, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев.
3) Нужно отметить и ещё один важный принцип, гласящий, что время преобразования или деформации пород моложе, чем возраст образования этих пород.
Ещё одна большая группа методов относительной геохронологии – биостратиграфические методы. Эти методы основаны на изучении окаменелостей - ископаемых остатков организмов, заключённых в слоях горных пород: в разновозрастных слоях пород встречаются разные комплексы остатков организмов, характеризующие развитие флоры и фауны в ту или иную геологическую эпоху. В основе методов лежит принцип, сформулированный Уильямом Смитом: одновозрастные осадки содержат одни и те же или близкие остатки ископаемых организмов. Этот принцип дополняется ещё одним важным положением, гласящим, что ископаемые флоры и фауны сменяют друг друга в определённом порядке.
Методы абсолютной геохронологии позволяют определить возраст геологических объектов и событий в единицах времени. Среди этих методов наиболее распространены методы изотопной геохронологии, основанные на подсчёте времени распада радиоактивных изотопов, заключенных в минералах (или, например, в остатках древесины или в окаменелых костях животных).
Для докембрийских пород всех материков имеются многочисленные определения по различным минералам. При определении изотопного возраста этих пород исследователи встречаются со значительными трудностями, которые вызваны метаморфизмом и связанной с ним перекристаллизацией горных пород и образованием новых минералов.. В одних случаях удается установить точный возраст породы по первичным минералам, возникшим в течение кристаллизации магматического расплава или во время образования осадочных пород; в других— время завершения метаморфизма (перекристаллизации), в течение которого возникли новые горные породы и минералы. Так как процессы метаморфизма в докембрии проявлялись неоднократно, то и возраст пород и минералов отвечает последней фазе метаморфизма. Поэтому геологи зачастую имеют дело не с возрастом первичной породы, а с возрастом породы или минерала, возникших в процессе метаморфизма. Из-за этого результаты определения изотопного возраста отдельных метаморфических комплексов имеют весьма различные величины и нередко приводят к омоложению истинного возраста первичных пород.