Геохимия метаморфических процессов

Для зоны метаморфизма характерен комплекс процессов при повышенных температуре и давлении с участием химически активных веществ, которые приводят к минеральным структурным преобразованиям горных пород.

В геохимическом отношении метаморфические породы изучены слабее, чем магматические. Метаморфизм преобразовывает осадочные и магматические породы под влиянием более высоких температур, давлений и активности жидких растворов, чем на поверхности Земли (Н. Л. Добрецов).

Ассоциации новообразованных минералов в метаморфических условиях образуют новые структуры, которые соответствуют изменившимся условиям. Таким образом, метаморфизм приводит к частичной или полной перекристаллизации породы с образованием новых структур и новых минералов. Почти все солевые отложения обнаруживают признаки частичной или полной перекристаллизации при погружении на глубину. Вода является основным веществом в действии химически активных растворов при метаморфизме. Она может привносить и выносить материал, растворять и переосаждать. Поэтому в зоне метаморфизма может протекать метасоматоз. Действие воды усиливается в присутствии углекислого газа, борной кислоты, фтористого и хлористого водорода, других веществ, часто магматического происхождения. Вопросы миграции химических элементов с водой детально рассмотрены Д. С. Коржинским. В зависимости от динамики среды выделяется два типа метасоматоза в зоне метаморфизма: диффузный и инфильтрационный.

При диффузном метасоматозе поровые растворы неподвижны в случае отсутствия перепадов давления. При этом ведущим фактором метаморфического метасоматоза выступает концентрация растворенного вещества. Ионы мигрируют через неподвижные поровые растворы в направлении понижения концентрации.

Фильтрационная миграция происходит в зонах дробления, рассланцевания, по микротрещинам и зонам тектонических нарушений. Понятие о дифференциальной подвижности компонентов при метасоматозе ввел Д. С. Коржинский – наиболее подвижные элементы с большим ионным радиусом и относительно малым зарядом. Ряд снижения подвижности химических элементов следующий: S→SO₃→K→Na→F→Ca→O₂→FeO→P→Ba→Mg→Si→Al→Fe₂O₃.

Однако подвижность элементов зависит от многих причин и меняется в соответствии с конкретной обстановкой. Мигрирующие элементы перемещаются на разные расстояния, что приводит к возникновению метасоматической зональности.

Скорость миграции химических элементов в твердом состоянии ничтожна и протекает путем диффузии через кристаллические решетки минералов. Происходит перемешивание атомов, появляются дефекты в структуре минералов, могут образовываться вторичные пленки замещения в зернах минералов без какого-либо геохимического эффекта (Г. Рамберг, 1952).

С точки зрения термодинамики метаморфизм может быть представлен как превращение одной минеральной ассоциации в другую с меньшей свободной энергией:

A + B + C → L + M + N.

Возрастание давления сдвигает равновесие в направлении уменьшения объема системы, а температуры – способствует эндотермическим реакциям. В общем виде метаморфизм приводит к превращению материала породы в минеральную ассоциацию, обладающую в данных условиях наименьшей свободной энергией.

Кинетика гетерогенных реакций разработана недостаточно. Энергия активации – важнейший фактор, определяющий скорость реакции, которая увеличивается при повышении температуры, что приводит к ослаблению связи между частицами фазы, облегчает подвижность реагирующих частиц, снижает энергию активации и ускоряет реакцию. Вещества будут реагировать тем легче, чем мельче зерна и чем лучше они перемешаны, т. е. мелкозернистые породы метаморфизируются быстрее, чем грубозернистые. Изменение пород под действием повышающейся температуры происходит быстрее, в отличие от понижающейся.

 

Метаморфические процессы

За основу классификации метаморфических систем следует принимать состояние системы, а не ее генезис, так как многие метаморфические системы полигенетические (А. И. Перельман, 1989).

В ходе метаморфизма может протекать метасоматоз при замещении одних минералов другими, а при частичном плавлении исходной породы – ультраметаморфизм. В докембрии известны переходные образования при переходе к магмообразованию – мигматиты (сложная горная порода, образовавшаяся из неоднородной смеси магмы и твердой породы).

Метаморфизм подразделяется на эндогенный, связанный с недрами Земли, и космогенный, возникающий при ударе метеоритов о земную поверхность с образованием метеоритных кратеров – астроблем.

Космогенный (ударный) метаморфизм приводит к образованию особых пород – импактитов, которые испытали температуру в тысячи градусов и высокое давление. Они могут содержать сверхплотные минералы – алмаз, стишовит, рингвудит и др.

В недрах Земли в зависимости от значения температуры, давления, концентрации ряда веществ в горных породах выделяют следующие виды метаморфизма: региональный, контактный, дисло­кационный (динамометаморфизм), изохимический, аллохимический, прогрессивный, регрессивный, диафторез.

Региональный метаморфизм – погружение на глубину и изменение минерального состава и структуры исходной породы. Верхний предел температуры достигает 700–1000 °С, давление – десятков тысяч атмосфер (десятков килобар).

Общие тенденции минералообразования:

· образование плотных минералов;

· уменьшение роли воды и CO₂ в минералах с увеличением температуры.

По степени интенсивности весь процесс метаморфизма может быть разделен на области с характерными давлением и температурой, которым будут соответствовать определенные минеральные ассоциации. Этим стадиям с их характерными минеральными ассоциациями отвечают фации метаморфизма. Более грубо их делят на фации низкой, средней и высокой ступени метаморфизма. Ихназывают по характерным минералам либо по облику пород.

При развитии регионального метаморфизма выделяют прогрессивный (с повышенными температурой и давлением) и регрессивный (с пониженными температурой и давлением) метаморфизм.. Если регрессивный метаморфизм оторван во времени от предыдущего этапа, его называют диафторезом. Он протекает с участием воды, выделившейся на прогрессивной стадии метаморфизма. Региональный метаморфизм охватывает земную кору в среднем до глубин 25–30 км.

Рассмотрим стадии регионального метаморфизма, когда трансформируются различные исходные породы:

· карбонатные породы (известняки) → мрамор;

· магнезиальные карбонатные породы → кальцифиры (аналог магнезиальных скарнов) с равномерным распределением форстерита, диопсида, флогопита;

· хемогенно-осадочные породы, богатые Fe, Si → железистые кварциты (джеспилиты) – тонкослоистые породы из магнетита, гематита, кварца, иногда щелочного амфибола (рибекит) и некоторых железистых силикатов (ферросилит, фаялит). Они приурочены к докембрийским образованиям (высшая ступень метаморфизма),

· высокоглиноземистые осадки (бокситы древних кор латеритного типа) → андалузит – кианитовые сланцы (иногда с диаспором), силлиманитовые сланцы, корундосодержащие породы;

· древние россыпи → метаморфизированные золотоносные конгломераты с уранитом и самородным золотом;

· торф → каменный уголь, антрацит;

· жилы альпийского типа как продукт регионального метаморфизма, содержат горный хрусталь, рутил, адуляр, сфен, апатит, гематит, брукит, цеолит.

Контактный метаморфизм (ороговикование). Главный фактор минералообразования – повышение температуры при низком давлении на контакте между осадочными породами и внедрившимися в них магматическими породами. Контактовые ореолы вокруг массивов изверженных пород в некоторых случаях достигают значительных размеров. Возникают роговики, которые названы так за плотное сложение с оскольчато-раковистым изломом (аналогичным рогу): мусковитные роговики (низкие температуры) → амфиболовые роговики (средние температуры) → пироксены (высокие температуры) → спуррит, мервинит (очень высокие температуры и низкое давление). Контактовые химические изменения охватывают зоны не только вмещающие толщи, но и внутри массивов изверженных пород.

Дислокационный метаморфизм (динамометаморфизм) протекает в зонах разломов в условиях локального повышенного или пониженного давления при тектонических подвижках. Он распространен в зонах субдукции (при погружении одной плиты под другую и повышении давления при низкой температуре), а также при коллизионных процессах (столкновении крупных блоков континентальной коры). Их масштабы меньше, чем при региональном метаморфизме, а степень метаморфизма редко превышает амфиболовую фацию. В него входит кластический метаморфизм и метаморфизм нагрузки. Происходит динамическое преобразование горных пород и минералов. Кластический метаморфизм приводит к разрывным деформациям пород с дроблением минеральных индивидов. Образуются катаклазиты и милониты. Миграция элементов слабая.

Если при повышении давления и температуры элементарный состав твердой фазы породы не меняется и характерен только привнос или вынос газообразных продуктов (H₂O, CO₂, O₂ и др.), то такой метаморфизм называется изохимическим.

При аллохимическом метаморфизме в систему поступают и выносятся из нее не только газообразные, но и растворимые соединения (особенно K, Na, Ca, Mg, Fe), порода сильно изменяется вплоть до полного метасоматического преобразования. Некоторые авторы этот вид метаморфизма считают синонимом гидротермального метасоматоза.