Геохимия метаморфических процессов

7.1. Любой минерал, любая порода устойчивы в тех условиях, в которых образовались.

Меняются условия и минералы и горные породы начинают приспосабливаться к новым условиям. Если на поверхности, то это гипергенез, если на глубине – метаморфизм. Таким образом, метаморфизм – физико-химические изменения (процессы), протекающие на глубине, под зоной гипергенеза.

7.2. В соответствии с разными причинами, вызывающими «М» выделяются три вида процессов: а) региональный метаморфизм; б) контактовый метаморфизм; в) автометаморфизм.

Принципиально важно иметь ввиду, что региональный метаморфизм не связан с магматической деятельностью, а два других вида связаны с ней генетически.

Одновременно нужно учитывать диалектику: контактовый метаморфизм может проходить на фоне регионального метаморфизма, а иногда магма является следствием далеко зашедшего регионального метаморфизма – ультраметаморфизма. Региональный метаморфизм занимает большие площади, другие процессы (контактовый метаморфизм, автометаморфизм) является строго локальными.

Метаморфизм проходит при условии твердого соединения минералов и горных пород. Только при ультраметаморфизме вещество переходит в жидкое состояние.

7.3. Важнейшие причины (факторы) метаморфизма: а) t⁰C; б) Ратм; в) химизм среды. Обычно действуют все три фактора одновременно. Идет приспособление: минералы становятся неустойчивыми; идет перекристаллизация пород, образуются новые минералы, формируются новые структуры и текстуры пород.

7.4. Региональный метаморфизм:

а) наиболее распространен, наиболее важен. Другое название – орогенный метаморфизм;

б) важнейший фактор – t⁰С, определяемая геотермической ступенью: в среднем она ≈30 м, но в разных тектонических областях резко меняется.

- новейший вулканизм – 5-20 м/⁰С;

- кайнозойская складчатость – 20-30 м;

- платформы – 30-80 м;

- кристаллические щиты - >100 м/⁰С.

в) ультраметаморфизм (плавление пород) начинается при t⁰С≈500 и выше градусов, следовательно, в областях кайнозойской складчатости ультраметаморфизм может начаться на глубине ≈10 км, а на кристаллических щитах на 50 и более км.

г) существенное замечание: основной источник тепла – радиогенное тепло и его в прошлые геологические эпохи могло быть значительно больше. По расчетам 3 млрд. лет назад тепла было >> в 2 раза, а в 5 млрд.лет назад в 7 раз больше, чем сейчас;

д) при >> t⁰С происходит: ускорение химических реакций, увеличивается изоморфная смесимость минералов, расшатываются кристаллические решетки, вызывая перекристаллизацию, а в конечном счете, расплавление пород и минералов.

Особенно важно учитывать разделение легкоподвижных – летучих фаз от трудноподвижных – твердых: с>>t⁰C многие природные соединения, содержащие Н₂О, СО₂, Сl, B и др. разлагаются с разделением газообразной и твердых фаз.

е) при классификации метаморфических явлений чаще всего используется именно t⁰C:

- низшая стадия – фации зеленых сланцев – начинается при t⁰C≈200⁰С.

- наивысшие стадии – фации гранулитов ≈700⁰С.

Эти t-ные границы условны, т.к. давление – Р – может существенно сдвигать их. Играет роль и Н₂О: если она есть t⁰C ниже, если ее нет (мало), то выше.

ж) «Р» растет с глубиной ≈250-300 атм на 1 км. «Р» бывает одностороннее и всестороннее (гидростатическое). Все сланцеватые, ленточные (параллельные) структуры следствие одностороннего «Р» (сверху вниз). Гидростатическое «Р» обуславливает уменьшение объема в еще более резкой форме, способствуя образованию минералов с большим удельным весом.

Особо ярко роль «Р» проявляется когда мы имеем дело с фазовыми превращениями, например, при отделении газовой фазы от жидкой или твердой. Здесь наблюдается очень своеобразная особенность: t⁰C (>>) способствует отделению от Г.П. воды и других летучих компонентов, а «Р» наоборот препятствует этому. В результате при высоких t⁰C и Р вода может находится в особом надкристаллическом состоянии, когда Н₂О обладает свойствами сильно сжатого газа, способного растворить и переносить значительные колличества различных химических соединений.

и) Для прогрессивного метаморфизма характерны процессы дегидратации и декарбонатизации, что легко объясняется именно уходом воды и СО₂ при >>t⁰C. Какова природа Н₂О? Она бывает магматической, метеорной и метаморфогенной. Считалось, что почти вся вода магматическая. Действительно в процессах контактового метаморфизма и автометаморфизма это так и есть, но применительно к региональному метаморфизму все более сложно. Неясно, например, является ли магма первичной. Может она следствие ультраметаморфизма. Известно высказывание В.И. Вернадского о том, что гранитная оболочка нашей планеты – это былые биосферы, т.е. переработанные осадки.

к) Метеорные, т.е. поверхностные воды, конечно, могут попадать в метаморфизованные породы (по трещинам, порам), но вряд ли на большие глубины, где и идут основные процессы регионального метаморфизма.

л) Метаморфогенная вода – вода пористых пород: в иловых осадках ее 20-30%, а в глинах после литификации 5-7%, в метаморфических сланцах ≈2%. По расчетам удаление всего 1% из 1 км³ осадочной породы дает ≈2,5∙10⁷ т растворов. Объемы воды огромны, огромны и объемы растворимых в ней соединений.

И, наконец, коротко о метаморфических фациях, т.е. об ассоциациях минералов, которые образуются в определенных условиях. Находя эти ассоциации мы можем классифицировать эти условия (фации).

Классификаций очень много. Например, есть такая – очень простая (по Груберманну и НИГГЛИ):

ЭПИЗОНА – низкие t⁰ и Р. Минералы: главным образом водные силикаты: эпидот, хлорит, карбонаты, тальк, альбит;

МЕЗОЗОНА – средние t⁰ и высокие Р. Минералы биотит, мусковит, амфибол, плагиоклаз и др.

КАТАЗОНА - >>>t⁰ и >>>P. Минералы: андулузит, полевые шпаты, пироп, шпинель, пироксен и др.

Но наиболее общепринятой считается схема Эскола, дополненная российскими учеными Коржинским, Судовниковым, Елисеевым. Основана она на идее простого набора минералов – 2-3, редко 3-4 (минералов много и перебор даже только характерных очень сложен).

Схема выглядит так (перечень фаций сверху вниз):

1. Зеленые сланцы;

2. Эпидот – амфиболит;

3. Амфиболит (амфибол+плагиоклаз; Амфибол – двоякий, силикат);

4. Гранулитовая (полевые шпаты, кварц, примесь граната);

5. Эклогитовая (выбор, сортировка, эклёгит) (гранат+пироксен)

6. Глаукофановые сланцы (натрово-глиноземные, амфибол, примесь – эклогит).

Схема не идеальная, но позволяет выстраивать ряд фаций по мере роста t⁰ и Р.