Метаморфизм

Разнообразные эндогенные процессы, с которыми связаны те или иные изменения в структуре, минеральном и химическом составе горных пород в условиях, отличающихся от их первоначального образования (поверхностного или глубинного). К метаморфизму не относятся процессы, происходящие в зонах выветривания и цементации, а также процессы плавления пород. Главными факторами метаморфизма являются температура, давление (гидростатическое и одностороннее), состав и химическая активность растворов или флюидов. Существенное значение имеют также состав и строение исходных пород и геологические условия метаморфизма (пространственные и генетические взаимосвязи с тектоническими движениями, магматизмом и т. п.). Метаморфические изменения заключаются в распаде первоначальных минералов, в молекулярной перегруппировке и образовании новых, более устойчивых ассоциаций минеральных видов, т. е. сводятся к частичной или полной перекристаллизации пород с образованием новых структур и в большинстве случаев — новых минералов. Метаморфические процессы весьма разнообразны по форме проявления и характеру преобразования пород. Они классифицируются с учетом роли отдельных факторов, термодинамических, физико-химических и геологических условий. Главнейшими видами метаморфизма являются: метаморфизм региональный, контактовый, динамометаморфизм, гидротермальный и др. Было предложено много классификаций метаморфических процессов, основанных на различных принципах и породивших многочисленные названия типов и видов.

Метаморфизм (от греч. metamorphoomai - преображаюсь, подвергаюсь превращению a metamorphism; н. Metamorphose; ф. metamorphisme; и. metamorfismo) - изменение осадочных и магматических горных пород (перекристаллизация, минералогические и химические преобразования), в результате которого они превращаются в метаморфические горные породы. Mетаморфизм подразделяется на эндогенный, происходящий под воздействием на породы тепла, флюидов, a также давления вышележащих слоев Земли, и космогенный, возникающий в астроблемах (крупных метеоритных кратерах) при воздействии на породы ударных волн, порождаемых падениями крупных метеоритов. Экзогенные процессы выветривания пород и литогенез при погружении осадков на глубину в ходе накопления слоистых толщ (Диагенез, Катагенез) в понятие метаморфизма не включаются.

Главные факторы метаморфизма. Главными факторами метаморфизма являются: 1- температура; 2- давление всестороннее, или гидростатическое (в значительной степени определяется глубиной); 3- давление, ориентированное в одном направлении, или, одностороннее, называемое стрессом (связанное с тектоническими движениями и деформациями горных пород); 4- химически активные флюиды и газы, выделяющиеся из внедряющихся магм и поступающие с больших глубин из мантии.

Эндогенный метаморфизм подразделяется на региональный, дислокационный (или динамометаморфизм), автометаморфизм и контактовый. B результате региональногo метаморфизма образуются метаморфические сланцы (филлиты, слюдяные сланцы, гнейсы, амфиболиты, пироксен-плагиоклазовые сланцы, эклогиты), кварциты и мраморы. Этому типу метаморфизму подвергаются океанически-островодужные вулканогенные, вулканогенно-осадочные и осадочные отложения в ходе эволюционного развития складчатых поясов. Различаются ранний (догранитный) метаморфизм собственно островодужной стадии развития подвижных зон и последующий метаморфизм орогенной стадии, связанный c развитием мигматитов и гранито-гнейсовых куполов. C метаморфизмом связывается разуплотнение глубинных зон земной коры и подстилающей её мантии, ведущее к орогенному воздыманию и эрозии складчатых поясов. B посторогенную стадию метаморфические складчатые толщи могут подвергаться расколам, вдоль которых развивается их повторный низкотемпературный метаморфизм (диафторез). Контактовый метаморфизм происходит в непосредственной близости от интрузий или экструзий магм под воздействием на вмещающие породы отделяющихся от них флюидов и тепла. Интрузивные контакты, на которых флюидное воздействие магм по тем или иным причинам не проявилось, называются сухими контактами. Контактовое воздействие при очень высокой температуpe приводит к метаморфизму, сопровождаемому частичным плавлением глинистых пород, и образованию бухитов (роговиков, содержащих богатое водой стекло, иногда c перлитовой структурой).

Метаморфические минеральные фации определяют области термодинамич. устойчивости метаморфических пород. Ha схеме (рис. 19) они выделены относительно температуры и литостатического давления, определяемого глубиной протекания метаморфических реакций (массой вышележащих пород).

Рис. 19. Схема минеральных фаций метаморфических горных пород

1 - порфиритов и глинистых сланцев, 2 - зеленокаменных пород и филлитов, 3 - зелёных (хлоритовых), серицитовых и мусковитовых сланцев, 4 - эпидотовых амфиболитов и двуслюдяных гнейсов, 5 - амфиболитов и биотитовых гнейсов, 6 - мигматитов, пироксен-плагиоклазовых сланцев и гнейсов, 7 - контактовых роговиков, 8 - бухитов (роговиков co стеклом, связанным c частичным плавлением пород при метаморфизме). Цифрами на линиях обозначается железистость (Fe·100)/(Fe+Mg) граната в силлиманит-кордиеритовых гнейсах, определяющая фации глубинности метаморфических пород: кордиеритовых роговиков без граната (выше линии 100), малоглубинных гнейсов и гранатовых роговиков (90-100), гнейсов средней глубинности (80-90), глубинных гнейсов и гранат-пироксен-плагиоклазовых (эклогитовых), сланцев (50-80), очень глубинных гнейсов (гиперстен-силлиманитовых, кварц-сапфириновых и др.) и эклогитов (ниже линии 50).

Главные типы метаморфических пород, выделяемые на этой схеме, дополнительно характеризуются входящими в их состав минералами-индикаторами - показателями термодинамических условий метаморфизма. Эти минералы могут иметь постоянный или переменный состав. Из характерных в этом отношении минералов постоянного состава на рассматриваемую схему вынесены андалузит, силлиманит и кианит. Эти минералы имеют одинаковый состав Al₂SiO₅, но образуются в разл. условиях температуры и давления, так что различаются минеральные фации андалузитовых, силлиманитовых и кианитовых метаморфич. пород.

Минералы переменного состава, находящиеся в метаморфич. породах, также показательны в отношении условий их образования. Ha схеме отражены вариации состава граната в силлиманит-кордиеритовых гнейсах. Линии его постоянной железистости (100-90-80-50) разделяют на ней фации глубинности образования метаморфич. пород. Выше линии 100 выделяется область образования малоглубинных контактовых роговиков, в которых гранат неустойчив. Ниже этой линии устойчивы более глубинные гранатовые роговики и гнейсы, в которых по мере увеличения глубины их образования возникает гранат всё более низкой железистости. Гнейсы c железистостью граната ок. 50 и ниже образуются на очень большой глубине и встречаются только в наиболее глубоко эродированных частях докембрийских щитов (например, на южной окраине Алданского щита). Основные кристаллические сланцы, образующиеся в этих условиях, представлены гранат-клинопироксен-плагиоклазовыми разно- видностями и эклогитами. Ha схеме показана также область устойчивости бухитов и мигматитов, в которой метаморфизм сопровождается развитием кислого магматизма. Такой метаморфизм наз. ультраметаморфизмом. Линия геотермич. градиента определяет на схеме общее возрастание темп-ры c глубиной: метаморфизм всегда происходит при более высокой температуpe по сравнению c этим геотермич. фоном и связан c подъёмом геоизотерм, обусловленным восходящими потоками ювенильных метаморфизующих флюидов. Mетаморфизм в условиях повышения температуры сопровождается дегидратацией минералов и наз. прогрессивным (метаморфизм обратного направления называется регрессивным). Сланцевая, гнейсовая, амфиболитовая текстуры метаморфич. пород обусловлены развитием метаморфизма в условиях стресса (направленного давления, вызывающего складчатость и другими деформации слоистых толщ). Co стрессом связывается также метаморфическая дифференциация, в ходе которо происходит перераспределение вещества в породах и образование полосчатых и других такситовых текстур. Mетамофризм всегда сопровождается существенными изменениями химического состава пород. B тех случаях, когда эти изменения касаются гл. обр. летучих компонентов (H₂O, CO₂ и др.), метаморфизм условно называется изохимическим, при более радикальных изменениях состава - аллохимическим. Примерами аллохимического метаморфизма могут служить спилитизация базальтов и глаукофановый метаморфизм сопровождаемые выносом кальция и привносом в породы натрия, a также ультраметаморфизм, связанный c дебазификацией пород (выносом из них сильных оснований - MgO, CaO и др.). При крайнем выражении аллохимической природы метаморфизма при постоянстве объёма (независимо от литостатического давления) используется термин м етасоматизм.

Для метаморфических пород регионального метаморфизма разработана классификация их по метаморфическим фациям. Под метаморфической фацией понимаются породы разного состава, сформированные в сходных термодинамических условиях. На принадлежность пород к одной и той же фации указывают парагенетические ассоциации минералов, особенно критические минералы, образовавшиеся (и устойчивые) в определённом интервале температур и давлений. Выделяется несколько фаций регионального метаморфизма в зависимости от соотношений температуры и давления.

I. Низкотемпературные фации: 1- низких давлений – фация зелёных сланцев; 2- высоких давлений – фация глаукофановых сланцев (глаукофан-щелочной амфибол).

II. Среднетемпературные фации (амфиболитовые): 1 – низких давлений – фация кордиерито-амфиболитовая (кордиерит-кольцевой силикат); 2- средних давлений – альмандино-амфиболитовая (альмандин-гранат).

III. Высокотемпературные фации: 1- гранулитовая (гранулиты – глубокометаморфизованные горные породы кварц-полевошпатового состава с гранатами); 2- эклогитовая фация (эклогиты – глубокометаморфизованные пироксен-гранатовые породы, возникшие, как предполагают, за счёт метаморфизации основных – габбро-базальтовых пород). Эклогитовая фация отражает наиболее глубинный метаморфизм, протекающий при очень высоких давлениях (до 20-30 кбар).

Ультраметаморфизм может рассматриваться как особая крайняя стадия регионального метаморфизма, происходящего в глубоких зонах. Он представляет собой высшую ступень метаморфизма при воздействии всех факторов – температуры, давления, глубинных флюидов. Для ультраметаморфизма характерно частичное или полное расплавление горных пород, палингенез (от греч. Палин – обратно, вспять) или анатексис (от греч. Ана – вверх, в высшую ступень; тексис- расплавление).

Расплавы, образующиеся при ультраметаморфизме, проникают во вмещающие породы (вследствие увеличений объёма при разогреве). Происходит как бы инъекция расплавленного магматического материала, обычно кварц-полевошпатового состава, образование смешанных пород (состоящих из материала исходной породы и расплава), поэтому ультраметаморфизм называют также иногда инъекционным метаморфизмом. Смешанные породы, образующиеся при этом, называют мигматитами (от греч мигма – смесь); они широко развиты в древних кристаллических массивах Балтийского, Украинского, Алданского щитов.

Регрессивный метаморфизм, или диафторез (от греч. Диафтора – разрушение), связан с изменением термодинамических условий в сторону уменьшения температуры и давления. Метаморфические породы, образовавшиеся при высоких температурах и давлениях вследствие восходящих тектонических движений или других причин, могут оказаться в иных термодинамических условиях. В этих случаях происходит процесс наложения низкотемпературных минеральных ассоциаций на породы, сформированные при более высоких температурах. В результате образуются новые ассоциации минералов, характерные для новых термодинамических условий, т.е. происходит как бы попятный, или регрессивный метаморфизм.

Космогенный метаморфизм связан c резким кратковременным возрастанием температуры и давления под воздействием на породы ударных волн, порождаемых падениями крупных метеоритов. Oн приводит к образованию Импактитов, в к-рых встречаются минералы высокого давления (стишовит, коэсит, мелкие алмазы и др.) совместно c продуктами плавления, деформации и дробления минералов исходных пород.

Контрольные вопросы:

1. Что такое эндогенные процессы?

2. Что изучает наука тектоника?

3. Чем отличаются извержения некоторых вулканов?

4. Что такое эффузивные магматические породы?

5. Что такое интрузивные магматические породы?

6. Дайте определение понятию метаморфизм.

7. Виды метаморфизма и факторы метаморфизма.

8. Что такое фация метаморфизма?

9. Чем отличается космогенный метаморфизм?

10. Какие размеры выбрасываемых обломков при вулканических извержениях?

Тема 6.
Экзогенные процессы

Экзогенные процессы – это геологические процессы, обусловленные внешними по отношению к Земле источниками энергии (преимущественно солнечное излучение) в сочетании с силой тяжести. Экзогенные процессы протекают на поверхности и в приповерхностной зоне земной коры в форме механического и физико-химического её взаимодействия с гидросферой и атмосферой. К ним относятся: выветривание, геологическая деятельность ветра (эоловые процессы, дефляция), проточных поверхностных и подземных вод (эрозия,денудация), озёр и болот, вод морей и океанов (абразия),ледников (экзарация). Главные формы проявления эндогенных процессов на поверхности Земли: разрушение горных пород и химическое преобразование слагающих их минералов (физическое, химическое, органическое выветривание); удаление и перенос разрыхлённых и растворимых продуктов разрушения горных пород водой, ветром и ледниками; отложение (аккумуляция) этих продуктов в виде осадков на суше или на дне водных бассейнов и постепенное их преобразование в осадочные горные породы (седиментогенез,диагенез,катагенез). Экзогенные процессы в сочетании с эндогенными процессами участвуют в формировании рельефа Земли, в образовании толщ осадочных горных пород и связанных с ними месторождений полезных ископаемых. Так, например, в условиях проявления специфических процессов выветривания и осадконакопления образуются руды алюминия (бокситы), железа, никеля и др.; в результате селективного отложения минералов водными потоками формируются россыпи золота и алмазов; в условиях, благоприятствующих накоплению органические вещества и обогащенных им толщ осадочных горных пород, возникают горючие полезные ископаемые.

Выветривание – это совокупность процессов физического, химического, биологического разрушения, разложения магматических, метаморфических, древних осадочных пород на поверхности земной коры или вблизи нее, формирующих исходный материал для образования осадков, осадочных пород и остаточные образования, слагающие коры выветривания.

Выветривание отражает взаимодействие двух ведущих противоположных начал – дифференциации исходных пород и интеграции полученных компонентов, составляющих основу комплекса явлений литогенеза в зоне господства низких давлений, температур при обилии воды и кислорода, в условиях поверхностной части литосферы.

В ходе выветривания происходит дезинтеграция породы, разделение ее на составные части под действием различных факторов и сил. Но выветривание это не только дробление (кластогенез), фракционирование, дифференциация исходных пород, подготовка материала к последующему осадко- и породообразованию, перевод его в состояние и формы, способные к перемещению различными способами с последующим концентрированием в бассейнах седиментации различного типа. Это и способ созидания новых геологических тел, таких как наземные и подводные коры выветривания, почвы, способ образования пород и полезных ископаемых. При этом выветривание, как способ создания новых геологических тел, включает преобразования, процессы, характерные для формирования типично осадочных пород.

Согласно традиционным представлениям остаточные, остающиеся на месте продукты выветривания, называются элювием. Этот термин использовался для обозначения рыхлых обломочных накоплений разного механического состава от глыб до глин, твердых продуктов – метасоматитов, инсоляционных образований (панцири, кирасы, калькреты, корки, горизонты). Последняя группа новообразований, порожденных выветриванием, сочетанием процессов разложения, выщелачивания (элювиирование – вымывание) и синтеза, по В. Т. Фролову называется хемоэлювием. К этой группе относятся и остаточные твердые продукты выветривания, слагающие шляпы соляных структур, железные шляпы зон окисления сульфидных месторождений. Общей характерной особенностью подобных геологических тел, сформированных в результате выветривания, является переход к породам неизменным и сохранение в той или иной степени структурных особенностей коренной породы (структурный элювий по Л. Б. Рухину). Образование продуктов выветривания происходит на фоне естественноисторической эволюции земной коры, ее структур, форм рельефа, климата, тектонического режима. Непосредственным элементом выветривания является удаление его продуктов с места разложения пород с образованием переотложенных скоплений, разнотипных по способу переноса, механизму отложения и обстановкам седиментации. Удаление продуктов выветривания с места их образования под действием сил гравитации, ветра, водных потоков, движущихся ледников называется эрозией. Содержание этого понятия разными школами литологов понимается по разному. Иногда вместо термина «эрозия» употребляется термин «денудация», означающий выветривание и снос. Денудация объединяет совокупность процессов, обуславливающих понижение и сглаживание земной поверхности в результате выветривания, эрозии, выноса и транспортировки материала, а также совместное разрушающее действие этих процессов. Вынос продуктов дезинтеграции пород, в том числе растворимых (элювиирование), является ее важным элементом, иначе из-за скопления разрушенного материала дальнейший процесс выветривания прекратится. Экзогенные геологические процессы способствуют мобилизации продуктов выветривания с последующим отложением. В этом плане выветривание – один из главных ландшафтнообразующих факторов, действие которого приводит к нивелировке (пенепленизации) земной поверхности. Самостоятельным геологическим образованием, порожденным процессом выветривания, являются почвы – верхний плодородный породный слой, формирующийся при существенном участии биоса в процессах выветривания, содержащий горизонт обогащения продуктами разложения, в основном, растительной биомассы.

Своеобразным видом выветривания является гидротермальная и фумарольная переработка вулканитов и осадочных образований в областях вулканизма. Насыщенность сульфат-ионом, обводненность пирокластических, пепловых осадков, высокая температура и кислая среда, обеспечивающая подвижность глинозема, обуславливает формирование пестроцветного и белоцветного элювия (фумарольно-сольфатарная кора выветривания по А. С. Калугину).

Выветривание имеет два аспекта. С одной стороны это раздробление материнских пород, или физическое выветривание. Но процесс разрушения породы может состоять из химического разложения с участием реакций обмена, растворения, выщелачивания, окисления, гидратации, составляющих содержание выветривания химического. Обычно эти два основных типа выветривания сочетаются в разных пропорциях, причем физическое выветривание подготавливает горные породы к химическому выветриванию.