Межзерновой кливаж

Кливаж

Вторым распространенным типом плоскостных текстур является кливаж. Как уже было сказано, в 1835 г. Сэджвик назвал кливажем явление расщепления горных пород на тонкие пластинки. Такое расщепление сразу бросается в глаза при осмотре многих обнажений. Расщепление – это механическое явление, оно является следствием какой-то анизотропии в породах. Вначале такую анизотропию связывали даже с электрическими и магнитными силами. С развитием микроскопических исследований поняли, что расщепление связано с наличием плоскостной текстуры на микроуровне. С тех пор кливажем стали называть как явление расщепления, так вызывающую его плоскостную текстуру. В породах, богатых филлосиликатами, как уже об этом говорилось выше, долго не могли договориться о том, где проходит граница между кливажем и сланцеватостью. Затем стали раздумывать над происхождением плоскостной текстуры, которая является причиной расщепления. Появились многочисленные генетические термины: «кливаж течения», «кливаж скалывания», «кливаж разлома» и т.п. Все это никак не проясняло картину. Хотя уже в середине позапрошлого века Харкером было установлено, что поверхности кливажа перпендикулярны оси максимального укорочения (это выяснили, изучая деформированную фауну в породах с кливажем), однако эти работы долго почти не принимались во внимание.

Хочется заметить, что генетические классификации всегда только запутывают вопрос, т.к. наши представления о происхождении, например, структур, все время меняются. Поэтому лучше основываться на морфологических классификациях. В конце концов, это поняли применительно к кливажу. Кроме того, развитие современных методов позволило изучить текстуры, вызывающие расщепляемость, на тонком уровне. В результате своих исследований и обсуждений ученые, занимающиеся проблемой кливажа, в 1976 г. (Пенроузская конференция), пришли к следующему:

Явление раскалывания пород на плитки необходимо называть расщепляемостью. Она вызывается определенными текстурами на микроуровне. Во-первых, это наличие предпочтительной ориентировки чешуйчатых минералов в относительно тонкозернистых породах. За этой текстурой оставили название сланцеватость. Во-вторых, расщепляемость обусловлена наличием в породе микроскопических вторичных параллельных элементов, сложенных агрегатами зерен, причем чередуются резко различные по составу, размеру зерен и ширине элементы. Такую текстуру и было предложено назвать кливажем.

Итак, кливаж – это микроструктура. В обнажении, т.е. на макроуровне, он проявляется как расщепляемость. На рис. … показано, как кливаж выглядит в обнажениях.

Кливаж подразделяется на межзерновой кливаж и кливаж плойчатости. Первый встречается гораздо чаще. Подробно он рассмотрен в учебнике «Введение в тектонофизику» (разделы 7.1, 7.2, 7.3, написанные специалистом в области кливажа В.Г.Талицким). Тем не менее, в лекции я остановлюсь на наиболее важных моментах образования и развития кливажа, так как это широко распространенная текстура, кроме того, это чрезвычайно важно для понимания развития деформационного процесса.

Шрифтом Arial выделен текст, дословно взятый из Учебника.

Этот тип плоскостных микротекстур встречается исключительно в деформированных осадочных, реже – вулканогенно-осадочных и вулканогенных породах, имеющих резко неоднородное зерновое строение: в алевролитах, песчаниках, туфопесчаниках, некоторых типах известняков и т. п. В таких породах под микроскопом наблюдается система тонких нитевидных зон, располагающихся субпараллельно одна другой и разбивающих породу на микроскопические линзочки (рис.). Нитевидные зоны и линзочки резко различаются по минеральному составу и внутреннему строению. Нитевидные зоны представляют собой агрегаты очень мелких, беспорядочно ориентированных или упорядоченных чешуек слюд, гидрослюд, хлорита, мельчайших зернышек рудных минералов, тонкодисперсного органического вещества. Их внутреннее строение удается рассмотреть только под электронным микроскопом. Минеральный состав этих зон всегда относительно постоянен, независимо от минерального состава породы, в которой развита микротекстура. Основной особенностью минерального состава описываемых зон является практически полное отсутствие в них таких минералов как кварц, кальцит, полевые шпаты.

Минеральный состав линзочек, заключенных между нитевидными зонами, является собственно минеральным составом породы. Зерна минералов внутри линзочек чаще всего ориентированы беспорядочно, реже бывают несколько удлиненными по направлению протяженности нитевидных зон. В других случаях на торцах более или менее изометричных зерен наблюдаются нарастания так называемых «бород», состоящих из мелких новообразованных зерен кварца, кальцита, полевых шпатов, реже – слюд. В этом случае весь агрегат, состоящий из минерального зерна и «бород», оказывается удлиненным параллельно нитевидным зонам.

Плоскостные текстуры подобного строения назвали межзерновым кливажем, нитевидные зоны – кливажными зонами (швами), а ограниченные кливажными зонами линзочки пород –микролитонами. Кливажные зоны и микролитоны являются основными элементами строения микротекстуры, именуемой межзерновым кливажем.

В породах, содержащих межзерновой кливаж, несмотря на общие черты строения текстуры, имеются и некоторые отличия. Так, в некоторых случаях зоны кливажа, располагаясь на контактах крупных обломочных зерен и цемента, быстро затухают в цементе. Тогда в матрице породы наблюдаются отдельные разобщенные кливажные зоны, не разделяющие породу на микролитоны. В таких случаях можно говорить о «недоразвитом» кливаже. Чаще, кливажные зоны, огибая или «срезая» стоящие на их пути обломочные зерна, распространяются дальше в цемент, где они сливаются с такими же зонами, идущими от соседних зерен. Тогда порода разбивается на обособленные микролитоны.

Толщина микролитонов или, что то же самое, частота кливажных зон зависит от размеров обломков или минеральных зерен пород (рис.). В мелкозернистых породах интервалы между кливажными зонами измеряются десятыми и сотыми долями миллиметра, тогда как в крупнообломочных песчаниках или гравелитах толщина микролитонов значительно больше. От размеров зерен пород зависит и наблюдаемая форма микролитонов при одном масштабе рассмотрения. В мелкозернистых породах микролитоны в поперечном сечении выглядят как тонкие длинные линзочки, ограниченные ровными протяженными кливажными зонами. С увеличением размера зерен пород микролитоны становятся более короткими, а окружающие их кливажные зоны – более извилистыми (рис….).

Расщепление или раскалывание кливажированной породы при ударе происходит по поверхностям, проходящим через кливажные зоны, при этом, чем более совершенно выражен кливаж, т.е. чем более протяженны кливажные зоны и чем ближе они находятся одна от другой, тем легче раскалывается порода и тем тоньше выкалываемые пластинки.

Причина расщепляемости кливажированных пород заключается в том, что кливажные зоны являются потенциально ослабленными зонами, по которым при ударе порода раскалывается легче, чем по другим направлениям. Эти зоны легко поддаются выветриванию, в результате чего выветрелые кливажированные породы легко распадаются на пластинки и без удара. Ослабленный характер кливажных зон связан, видимо, с их минеральным составом, а также с весьма малым размером слагающих их минералов.

В каких рТ-условиях встречается кливаж? Напомним, что сланцеватость развивается в породах любой ступени метаморфизма, лишь бы в них присутствовали филлосиликаты. В отличие от сланцеватости, кливаж не встречается в породах средней и высокой ступеней метаморфизма. О формируется в породах, находящихся на стадии позднего катагенеза (хотя в них он проявлен слабо), метагенеза и метаморфизма фации зеленых сланцев (где-то до Т ≈ 300 градусов, т.е. в низах этой фации). Это связано, вероятно, с тем, что при разных температурах действуют разные механизмы деформации на зерновом и внутризерновом уровнях. Каков же механизм образования кливажа?

Механизм образования межзернового кливажа. Надо сказать, что механизм образования кливажа был выяснен совсем недавно, лет 30 тому назад (что мало по сравнению с 200-летней дискуссией по поводу его происхождения). Это стало возможно после того, как внимательно рассмотрели морфологию кливажа на микроуровне. Для выяснения генезиса кливажа важными являются три обстоятельства. Первое было известно давно, но не обращали на него должного внимания. Это обстоятельство заключается в следующем. Микроскопические наблюдения свидетельствуют, что породы, в которых отмечается межзерновой кливаж, несмотря на различное их происхождение, объединяет одно общее свойство: все они характеризуются резко неоднородным зерновым строением. Неоднородность проявляется в наличии относительно крупных «жестких» элементов (зерен или обломков) и более «податливой» мелко- или микрокристаллической массы, окружающей или скрепляющей крупные элементы. Так, большинство обломочных горных пород состоит из более или менее крупных обломков минералов и пород, сцементированных тонкозернистым глинистым или карбонатным цементом. Известняки, в которых развивается межзерновой кливаж, обычно неравномернозернистые (обломочные или оолитовые) и, как правило, содержат значительную примесь глинистого вещества. Структуры некоторых лав, содержащих значительное количество вкрапленников, весьма сходны со структурой обломочных пород, особенно в случаях, когда вулканическое стекло перекристаллизовано. Помимо строения, все эти породы часто неоднородны и по составу.

Нужно подчеркнуть, что кливажные швы как раз и приурочены к границам неоднородностей. Таким образом, очевидно, что порода, содержащая неоднородности, деформируется так, что в ней возникает кливаж. Существование первичных вещественно-структурных неоднородностей – это и есть первое необходимое условие для формирования кливажа.

Теперь посмотрим на минеральный состав элементов кливажа. Выше было сказано, что кливажные зоны сложены глинистыми минералами, гидрослюдами, рудным и органическим веществом. Это все плохо растворимые компоненты породы, которые являются инертными и не могут перемещаться. Следовательно, из кливажных зон каким-то образом просто удалились легкорастворимые минералы, такие, как кварц, кальцит, реже полевые шпаты. Должен существовать какой-то механизм их растворения и перемещения. Это второе обстоятельство, которое нужно принимать во внимание при рассмотрении генезиса кливажа.

Третье обстоятельство, о котором не надо забывать – породы во время формирования кливажа насыщены флюидом.

Все эти три обстоятельства увязываются воедино в предложенном некоторое время назад механизме растворения под давлением (называемом также компрессионной ползучестью). Этот механизм сейчас хорошо разработан и подтвержден различными методами.

Физический смысл механизма компрессионной ползучести заключается в том, что при однонаправленном сжатии пород с резко неоднородной зерновой структурой в них возникает неоднородное поле напряжений, вызывающее неоднородность деформаций. На контактах зерен, нормальных к оси сжатия, образуются области повышенного давления (концентраторы сжимающих напряжений, зоны компрессии), а на контактах, параллельных к этой оси - области пониженного давления (концентраторы растягивающих напряжений, «тени давления»). При определенном значении сжимающей силы давление контактирующих зерен друг на друга тем выше, чем меньше площадь контактов (давление равно силе, отнесенной к площади контакта). В местах повышенных давлений атомная структура минералов становится более «рыхлой» (в этих местах повышена концентрация вакансий), что создает условия для более интенсивного (по отношению к другим участкам пород) растворения вещества во флюиде. Такие процессы ориентированного растворения ведут к постепенному преобразованию точечных контактов между зернами в плоскостные со все более увеличивающейся площадью, при этом породы испытывают деформацию укорочения в направлении оси сжатия.

В неоднородных по составу породах растворение под давлением осуществляется выборочно (селективно), т.е. при определенных внешних условиях (температура, давление, состав флюида и др.) растворяются лишь некоторые наиболее растворимые компоненты пород, тогда как другие оказываются практически не растворимыми. К числу наиболее растворимых компонентов пород относятся кварц, кальцит, плагиоклазы, хлорит и некоторые другие, а практически нерастворимыми являются глинистые минералы, пылевидное рудное вещество, тонкодисперсная органика.

Растворенные в местах повышенного давления компоненты пород переносятся флюидом и переотлагаются в участках с пониженным давлением, например в «тенях давления» «жестких» элементов. На этих участках формируются различные микротрещины и микропустоты, а нерастворимые тонкодисперсные компоненты концентрируются в местах растворения, и их скопления образуют наблюдаемые под микроскопом тонкие нитевидные зоны (кливажные зоны). Таким образом, с генетической точки зрения кливажные зоны представляют собой плоскостные зоны, ориентированные нормально к оси максимального сжатия, в которых сконцентрирована вся деформация укорочения пород. Заключенные в них нерастворимые тонкодисперсные компоненты с одной стороны, подчеркивают наличие таких зон, а с другой – способствуют расщепляемости пород, в которых развит межзерновой кливаж.

На схемах (рис…) приведены последовательные стадии формирования межзернового кливажа в обломочных породах с разным типом цементации (поровым или пленочным, с одной стороны, и базальным – с другой). В обоих случаях механизм формирования текстуры один и тот же, но имеются некоторые различия в деталях. В первом случае обломочные зерна породы контактируют между собой, и формирование кливажа полностью соответствует описанной выше схеме. В результате, в кливажированной породе часто отмечается «срезание» обломочных зерен зонами кливажа, а сами кливажные зоны выглядят более или менее прямолинейными (рис….). Во втором случае обломочные зерна со всех сторон окружены цементом и между собой не контактируют. В этом случае отмечается «вдавливание» обломочных зерен в цемент, при котором растворяются, в основном, не сами обломки, а растворимые компоненты, содержащиеся в цементе. В результате, в кливажированной породе отмечается огибание обломочных зерен кливажными зонами, а сами зоны кливажа выглядят извилистыми, сильно ветвящимися (рис. ….). И в том и в другом случае кливажные зоны всегда проходят между обломочными зернами, поэтому такой кливаж определяется как «межзерновой».

Ведущая роль механизма растворения под давлением при формировании межзернового кливажа подтверждается непосредственно наблюдаемыми в кливажированных породах частично редуцированными органическими остатками (рис. …), а также частично растворенными или «вдавленными» один в другой оолитами (рис. …).

Механизм растворения под давлением работает в определенном интервале температур, с этим и связано то, что кливаж развит в породах лишь определенной степени метаморфизма.