МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Метаморфизмом называется преобразование горных пород под воздействием внутренних (эндогенных) процессов, вызываю­щих изменение физико-химических условий в земной коре. Такое изменение приводит к частичному или полному минеральному и структурно-текстурному приспособлению породы к новым усло­виям, причем этот процесс протекает с сохранением твердого состояния системы. Возникающие минеральные ассоциации устой­чивы только в определенных физико-химических условиях и на­зываются парагенетическими.

Главными факторами метаморфизма являются температура, давление и химически активные вещества—растворы и газы. Важное значение имеет состав исходной породы, ее строение, длительность процесса изменения и его характер. Метаморфиче­ские процессы могут происходить либо изохимически без сущест­венного изменения валового химического состава метаморфизуемой породы, либо метасоматически — с значительным изменением состава последней вследствие привноса и выноса вещества. Из­менениям подвергаются породы любого состава и генезиса — магматические, осадочные или уже ранее метаморфизованные. В зависимости от интенсивности метаморфических процессов наблюдаются постепенные переходы от слабо измененных пород, сохраняющих реликты состава и структуры исходного материа­ла, до разностей, глубоко преобразованных, первоначальная при­рода которых полностью утрачена.

Основной задачей при изучении метаморфических пород яв­ляется умение распознавать в измененной породе ее первона­чальную природу и расшифровывать процессы, обусловившие ее новый состав и строение. Эта задача, как правило, достаточно сложна, так как, кроме различной степени метаморфизма, прихо­дится сталкиваться с явлением конвергенции (convergentio — схождение), сущность которого заключается в том, что из пород, различных по происхождению, но близких по валовому химиче­скому составу, в сходных термодинамических условиях возни­кают сходные продукты метаморфизма; и в то же время из одно­го и того же исходного материала в различных условиях обра­зуются различные породы.

Изучение метаморфических пород важно не только с петрогенетической точки зрения, но и для выяснения условий образования обширной группы метаморфогенных рудных и нерудных ме­сторождений, включающих промышленные скопления железных руд, марганца, золота, меди, урана, графита, абразивных мате­риалов, кровельных сланцев, кварцитов, мраморов и многих дру­гих полезных ископаемых.

ФАКТОРЫМЕТАМОРФИЗМА

Успехи, достигнутые за последние 10—15 лет в области полу­чения в лабораторных условиях высоких температур и давлений, соответствующих глубинным зонам земной коры, позволили по­дойти к достаточно надежной количественной оценке факторов метаморфизма и моделированию термодинамических условий, соответствующих естественным процессам.

Температура

Как уже было сказано ранее, предполагают, что главными источниками тепла в земной коре являются энергия радиоактив­ного распада, тепло, привносимое глубинными растворами, по­ступающими из недр Земли, тепло магматических интрузий и тектонических процессов, экзотермический эффект некоторых хи­мических реакций, сопровождающих метаморфизм пород, и ряд других. В целом тепло, образующееся в результате всех этих разнообразных процессов, представляет собой энергию земного шара, которая проявляется в виде геотермического градиента, характеризующего изменение температуры в градусах с увеличе­нием глубины в километрах. В различных геоструктурных зонах значения градиента различны. В областях древних щитов и плат­форм величины градиента соответствуют 10—30 град/км в мо­лодых горно-складчатых областях, где происходят активные тектонические и магматические процессы, значения градиента дости­гают 50—80 и даже 100 град/км (Винклер, 1969).

Изменение геотермического градиента, установленное по наб­людениям в буровых скважинах для ряда районов бывшего Советского Союза, иллюстрируется данными табл. 1.

Из приведенных в табл. 1 данных видим, что на глубине 10 км в зоне молодой складчатости Кавказа температура может достигать 830° С, тогда как на территории древнего Украинского щита ее значения на той же глубине не превысят 100° С.

Температурный интервал, в пределах которого происходят ти­пичные метаморфические преобразования, заключен примерно между 300—400° С и 900—1000° С (Соболев, 1970). Ниже 300° С вследствие резкого падения скорости метаморфических превра­щений последние практически не происходят или протекают крайне медленно; верхний предел ограничен температурой начала плавления наиболее распространенных горных пород и соответст­вует условиям магмообразования.

Температура — важнейший фактор метаморфизма, влияю­щий на процессы минералообразования, резко увеличивающий скорости химических реакций, степень перекристаллизации по­роды и в значительной мере контролирующий возникновение тех или иных парагенетических минеральных ассоциаций. В ус­ловиях растущей температуры происходят важные для минералообразования эндотермические реакции, сопровождающиеся процессами дегидратации гидро­ксилсодержащих минералов и декарбонатизации карбонатов. В качестве примера дегидратации приведем реакцию превраще­ния каолина в андалузит: Al₄[Si₄0₁₀](OH)₈⇌2Al₂0[SiO]₄+4H₂0+2Si0₂. Примером декарбонатизации может служить пере­ход кальцита в волластонит: СаСОз+Si0₂⇌СаSi0₃+СО₂. Повы­шение температуры ведет к образованию более высокотемпера­турных минеральных видов, лишенных воды, и сопровождается изменением структуры породы в направлении появления более крупнозернистых разностей.

Давление

Различают всестороннее давление (гидростатическое) и на­правленное давление (стресс).

Гидростатическое давление определяется действием нагрузки вышележащих толщ. Величина его возрастает в зависимости от удельного веса пород в среднем на 270 атм на каждый километр погружения, что позволяет предполагать на глубине 10 км дав­ление, равное 2700 атм, на глубине 20 км — 5400 атм и т. д. Таким образом, на глубинах порядка 50 км, примерно определяю­щих в орогенных зонах нижнюю границу земной коры, гидроста­тическое давление должно быть равно около 13 000 атм. Однако изучение минеральных парагенезисов, полученных эксперимен­тальным путем, и сопоставление их с естественными ассоциация­ми позволили установить, что давление при метаморфизме может достигать 25 000 атм. Отсюда был сделан вывод, что в условиях земной коры величина давления не ограничивается весом выше­лежащих толщ. В. С. Соболев (1970) придает большое значение наличию «тектонических перегрузок». Г. Винклер (1969) подчер­кивает, что общая величина давления на глубине должна зависеть также и от величин парциальных давлений паров воды Рн₂о и уг­лекислоты Рсо₂, выделяющихся при дегидратации и декарбонатизации минералов. Как видим, количественный учет давления при метаморфизме — вопрос достаточно сложный.

При постоянной температуре увеличение гидростатического давления в соответствии с принципом Ле-Шателье способствует образованию минералов с более плотной структурой элементар­ной ячейки, что приводит к уменьшению общего молекулярного объема системы и увеличению ее удельного веса. Так, форстерит (мол. объем 43,9) + анортит (мол. объем 101,1) = гроссуляр (мол. объем 121). Увеличение давления повышает температуру плавле­ния минералов, что очень важно при метаморфических превра­щениях. В условиях высокого гидростатического давления фор­мируются породы с однородной массивной текстурой.

Направленное давление (стресс) вызывается тектоническими причинами. Его величина зависит от интенсивности тектониче­ских процессов, трудно поддается учету и в каждом конкретном случае оценивается по степени преобразования породы. Действие направленного давления с глубиной ослабевает и на глубинах, превышающих 10 км (Тернер, Ферхуген, 1961), оно не прояв­ляется. Объясняется это тем, что при условии высокого направ­ленного давления происходит усадка породы, уменьшение обще­го объема пор и, как следствие, пересыщение породы растворами, что приводит в конечном счете к преобразованию направленного давления в гидростатическое с присущими последнему свойст­вами.

Вопрос о влиянии направленного давления на процессы минералообразования остается дискуссионным. Однако каталитиче­ская роль его несомненна. Стресс увеличивает растворимость ми­нералов, вызывает дробление породы, что облегчает циркуляцию метаморфизующих растворов и, следовательно, способствует про­цессу перекристаллизации минералов. Велика роль направленного давления при формировании структурно-текстурных особенностей породы В условиях стресса при наличии температурного фактора образуются специфические текстуры с характерной закономерной ориентировки минералов, как предполагают, является увеличение оси минералов (амфиболов, силлиманита, дистена и др.) или плоскости спайности (слюд, хлоритов и др.) располагаются пер­пендикулярно к направлению давления. Главной причиной пере­ориентировки минералов, как предполагают, является увеличение их растворимости в направлении давления и соответственно пере- отложение вещества в перпендикулярном направлении. Возни­кающая таким образом специфическая сланцеватая текстура весьма существенный признак для обширной группы метаморфи­ческих пород, получивших название «сланцы».

ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА

К химически активным веществам прежде всего относится вода и затем углекислота, которые находятся в том или ином ко­личестве почти во всех горных породах в виде так называемых «поровых» или «межзерновых» метаморфогенных растворов и газов. Иногда существенное значение приобретают соединения водорода, азота, хлора, фтора, серы, бора, фосфора, калия, нат­рия и других элементов. Средние содержания наиболее распро­страненных компонентов поровых растворов (в молярных долях) характеризуются следующими данными (Соболев, 1970): Н₂0 84,4; СO₂ 10,1; H₂S 1,9; HF 1,8; НС1 1,4; N₂ 0,4.

Источники воды при метаморфизме многообразны. Ими могут быть глубинные процессы дифференциации и дегазации вещества мантии, охлаждающиеся магматические расплавы и гидроксил­содержащие минералы, выделяющие (ОН) в процессе дегидра­тации. В верхних горизонтах литосферы существенное значение приобретает также остаточная влага, возникающая в процессе уплотнения осадочных пород.

Углекислота образуется как продукт декарбонатизации минера­лов, что объясняет высокую степень насыщения этим компонен­том водных растворов, локализующихся в карбонатных отложе­ниях. Однако указанная закономерность нередко нарушается, что, по мнению Д. С. Коржинского и других, свидетельствует о большом значении магматогенных источников углекислых ра­створов.

Все остальные химические вещества либо мобилизуются из пород, слагающих литосферу, либо поступают с газовыми н вод­ными эманациями из магматических расплавов или даже из под­коровых частей земного шара.

Тем или иным источникам растворов придается различное значение. Н. Г. Судовиков большую роль отводит летучим ком­понентам, мобилизованным из осадочных пород в процессе их изменения. Д. С. Коржинский решающую роль при метаморфиз­ме отводит восходящим термальным растворам глубинного про­исхождения, которые он называет «сквозьмагматическими». По­ступая из недр Земли, эти растворы способны диффундировать через магматические расплавы и, обогащаясь минерализаторами, превращаться в активные агенты метаморфизма.

Независимо от природы метаморфогенных растворов, переме­щаясь из областей высоких давлений в зоны низких давлений (обычно снизу вверх), такие растворы активно участвуют в пре­образовании минералов и пород, являясь переносчиками хими­ческих элементов и тепла и обусловливая высокое поровое дав­ление газов, понижающее растворимость минералов. Подчеркивая роль растворов в процессах метаморфизма, Д. С. Коржинский, В. С. Соболев и другие указывают, что в породах, лишенных воды, в так называемых «сухих системах» (породы магматические или глубоко метаморфизованные), преобразования, даже при наличии достаточно высоких температур и гидростатического давления, практически не происходят, либо идут крайне мед­ленно.

В качестве иллюстрации можно привести пример, описанный Э. Садецки-Кардош. Согласно данным этого ученого, мощные толщи осадочных пород Срединного массива в Венгрии, вклю­чающие разрез от палеогена до верхнего и даже частично ниж­него палеозоя, сохранились в стадии очень слабого метаморфиз­ма, несмотря на высокий геотермический градиент. Этот факт, по мнению автора, объясняется тем, что в указанном районе по­роды претерпели дробление вследствие последовательного сжа­тия и растяжения, что облегчило удаление из них паров и газов. В то же время в соседней альпийской области, где во время ме­ловой складчатости образовались мощные покровы, затруднившие фильтрацию воды из нижележащих пород, метаморфизм послед­них достиг высокой стадии.