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.