Химические реакции при метаморфизме с устойчивой температурой и давлением с течением времени достигают наиболее низкого уровня энергии в при данных условиях (химического равновесия). Минеральные ассоциации, образовавшиеся при этом, будут равновесны (или стабильны) до тех пор, пока не изменится хотя бы один из фактор, отвечающий за химическое равновесие (температура, давление или флюидный режим).
Метаморфическая кристаллизация обычно протекает одновременно с химическим изменением минеральных фаз, воздействием температуры, присутствием флюида и деформаций. Эти факторы оказывают сильное влияние на образование дефектов в кристаллах, делают их неустойчивыми, подверженными перекристаллизации. Свободная энергия, связанная с ходом химических реакций, способствует их протеканию и увеличивает их скорость. Наиболее важным фактором метаморфического процесса является температура, которая контролирует скорость реакций, подвижность флюида, а также возникновение и смещение дефектов в кристаллах. В процессе кристаллизации высвобождение энергии происходит путем снятия энергии внутреннего напряжения кристаллов и уменьшения энергии, связанной с поверхностью зерен при их росте. Эти "потери" энергии составляют движущую силу метаморфических реакций.
3. Парагенетический анализ метаморфических пород
С помощью парагенетического анализа метаморфических пород по её минеральному составу можно определить внешние условия ее образования, кристаллизации (температуру кристаллизации, давление, особенности химизма внешней среды, которые оказывают влияние на кристаллизацию породы).
Из упомянутого ранее определения парагенезиса, можно догадаться, что при анализе исследованию подвергается такая ассоциация минералов, которая образовалась в единых условиях и является равновесной. Сущность парагенетических отношений состоит в том, что при заданных параметрах внешней среды - температуре, давлении, возможностях обмена каким-то веществом - минеральный состав изучаемой кристаллической породы оказывается строго определенным. С изменением внешних параметров он может претерпевать соответствующие изменения.
Минеральная ассоциация - совокупность всех минералов, совместно присутствующих в данном участке земной коры (или образце).
Появление той или иной минеральной ассоциации в метаморфической породе определяется двумя главными факторами:
1) химическим составом породы и присутствующей в ней флюидной фазы;
2) условиями давления и температуры.
Следует отметить, что некоторые породы легче подвергаются изменениям и потому представляют собой лучшие индикаторы интенсивности метаморфизма чем другие.
Парагенетическая ассоциация - минеральная ассоциация, образованная в едином геологическом процессе (или ассоциация генетически связанных между собой минералов). Минеральная ассоциация охватывает несколько парагенетических ассоциаций, сменяющих одна другую во времени, то есть, парагенетическая ассоциация - частный случай минеральной.
С целью определения истинных парагенезисов минералов необходимо использовать некоторые критерии. Ниже приведены некоторые критерии устойчивого сосуществования метаморфических минералов:
1) непосредственные контакты друг с другом всех фаз парагенезиса, за исключением некоторых экранированных от реакции, например включения;
2) одинаковый состав внешних зон различных зерен одной и той же фазы;
3) одинаковое распределение компонентов между парами фаз в различных частях рассматриваемого объема породы;
4) соответствие температур, полученных в результате изучения соотношений изотопов кислорода в различных минералах и в разных частях обсуждаемого объема породы;
5) устойчивые формы зерен и включений минералов ассоциаций, как это уже обсуждалось выше.
Стоит упомянуть о так называемой запрещённой минеральной ассоциации - ассоциация, невозможная в данной системе. То есть, данные минералы в ассоциации никогда не могут образоваться совместно, например, кварц и нефилин, которые реагируют друг с другом с образованием другой минеральной фазы - альбита.
Существует так называемая петрогенетическая сетка, которая представляет собой диаграмму с координатами (Р и Т), на которую нанесены кривые моновариантного равновесия. Линии моновариантных равновесий делят пространство РТ-диаграмм на поля, характеризующиеся присут-ствием взаимоисключающих бивариантных ассоциаций.
В настоящее время петрогенетическая сетка приобрела большое практическое значение: при помощи ее решаются петрологические задачи метаморфизма. С каждым годом она пополняется новыми кривыми, при этом весь набор кривых требует время от времени ревизии и градуировки в свете новых уточненных экспериментальных данных. Для построения петрогенетических сеток используют наиболее информативные ассоциации парагенезисов.
Кристаллобластический ряд - ряд, в котором каждый предыдущий минерал характеризуется большим стремлением к образованию собственных форм по сравнению с другим минералом, расположенным ниже:
Рутил, сфен, магнетит.
Турмалин, кианит, ставролит, гранат, андалузит.
Эпидот, цоизит, форстерит.
Пироксены, амфиболы, волластонит.
Слюды, хлорит, тальк, стильпномелан.
Доломит, кальцит.
Скаполит, кордиерит, полевые шпаты.
Кварц.
Из этого общего правила имеются некоторые исключения: например, сфен в хлоритовых сланцах часто встречается в виде округлых каплевидных зёрен, несмотря на его высокое положение в кристаллобластическом ряду.
4. Метаморфические фации
Метаморфическая фация - группа пород, характеризующихся определенным рядом минералов, которые образовались в особых метаморфических условиях. Другое же определение можно дать следующим образом: метаморфическая фация - это набор парагенезисов метаморфических минералов, неоднократно возникавших в пространстве и во времени.
Вернон Р.Х. (1980), характеризуя понятие метаморфической фации, выделяет следующие ее особенности:
1. Между минеральной ассоциацией и валовым химическим составом породы существуют постоянные соотношения.
2. Метаморфическая фация относится не к одному типу пород (или парагенезисов минералов), а охватывает целый ряд их, образовавшихся в одном интервале условий температуры, давления и других переменных (например, состава присутствующего флюида).
3. Все породы с одинаковым валовым химическим составом в том случае, если они относятся к одной метаморфической фации, представлены одной и той же ассоциацией минералов.
4. Такие ассоциации, где бы они ни были обнаружены, должны быть стабильными или устойчиво метастабильными.
5. Схема метаморфических фаций - это удобная широкая генетическая классификация метаморфических пород в параметрах главных переменных - всестороннего давления и температуры.
6. В следствие сложного характера метаморфических реакций, которые, вероятно, характеризуются не единичными линиями, а интервалами давлений и температур, границы между фациями метаморфизма также следует рассматривать как постепенные.
7. Схему метаморфических фаций нельзя корректно приложить к регионам, в которых отсутствуют породы состава, благоприятного для кристаллизации диагностических ассоциаций.
Изучение петрографии и химического состава региональных метаморфизованных пород Австрийских Альп позволило Ф. Бекке* в 1913 г. сформулировать ряд постулатов, которые сыграли в дальнейшем большую роль при разработке учения о фациях метаморфизма. Их краткая характеристика:
· Породы, претерпевшие изменения при метаморфизме, стремятся к химическому равновесию.
· Высокое давление представляет мощный фактор метаморфизма. Большинство метаморфических реакций, протекающих при участии давления, ведет к образованию ассоциаций минералов с меньшим молекулярным объемом.
· В том случае, когда температура метаморфизма играет превалирующую роль по сравнению с давлением, "закон объемов" нарушается. При высоких температурах образуются кальциевые и калиевые полевые шпаты вместо более плотных эквивалентов - слюд и эпидота.
· Физические условия метаморфизма и минеральные ассоциации соответствуют двум основным зонам. Верхняя зона характеризуется реакциями, которые определяются возрастающим давлением. Типичные породообразующие минералы этой зоны - эпидот, мусковит, хлорит, альбит, хлоритоид, антигорит. В нижней зоне влиянию даже более высокого давления на метаморфические реакции противодействует высокая температура. Типичными минералами нижней зоны являются пироксены, гранат, ортоклаз, силлиманит, плагиоклаз, кордиерит, оливин. Между зонами нет резкой границ, потому существуют общие минералы для обеих зон: кварц, роговая обманка, биотит, ставролит.
5. Динамометаморфизм
Динамометаморфизм (греч. дэнбмйт - сила и metamуrphosis - превращение) (или дислокационный метаморфизм) проявляется, главным образом, в верхних частях земной коры, в зонах развития тектонических движений дислокационного характера. Часто локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений, крупных разломов типа сдвигов и надвигов, развивающихся в режиме сжатия (следствием последнего является ориентированное одностороннее давление - стресс).
При динамометаморфизме изменяются в основном структурно-текстурные особенности горных пород. Под влиянием стресса происходит либо хрупкое разрушение, дробление пород, либо, обычно на большей глубине, их пластическое течение вдоль плоскости разлома к поверхности, где давление наименьшее.
Сжатие придает зернам минералов определенную ориентировку параллельно плоскости разлома, вследствие этого порода приобретает полосчатую текстуру. Этому способствует и появление новообразованных чешуйчатых минералов - хлорита, слюд (мусковит, биотит), талька, также располагающихся параллельными слоями, делая породу сланцеватой и превращая ее в бластомилонит. Они чаще всего развиваются по таким осадочным породам, как глины, граувакковые песчаники, а также по вулканическим туфам и туфопесчаникам и более древним регионально-метаморфизованным породам.
Ниже уровня 10-15 км температура повышается, и роль воды возрастает. Наряду с проявлением стресса здесь увеличивается общее давление. Генерация тепла обусловлена геотермическим градиентом и трением при быстрых скольжениях по трещинкам механической сланцеватости. В зонах тектонических нарушений флюидная фаза свободно перемещается, переносит большие количества кремнезема, карбонатов и других веществ. В условиях больших глубин при повышенных температурах и высоком парциальном давлении воды проявляется пластическая деформация, которая означает деформацию отдельных минеральных индивидов и обусловливается скольжением блоков кристаллической решетки вдоль определенных плоскостей, двойникованием и процессом атомно-молекулярной диффузии. Вода ослабляет сцепление зерен и делает их более пластичными, поэтому они не дробятся, а деформируются. Это ещё одно важное свойство воды в участии процесса метаморфизма помимо того, что уже было сказано ранее.
В зонах механического рассланцевания образуются полосчатые породы с накоплением чешуйчатых минералов вдоль плоскостей сланцеватости и субизометричных зерен кварца, полевых шпатов, карбонатов между ними.
6. Импактный метаморфизм
Ударный, или импактный, метаморфизм занимает особое место среди метаморфических процессов. Он не связан ни с эндогенными, ни с экзогенными процессами, которые протекают на Земле. Этот процесс метаморфизма связан с космогенногеологическими явлениями, происходящими в участках соударения метеоритов с поверхностью Земли. В местах падения крупных метеоритов образуются взрывные воронки (кратеры) - астроблемы. В настоящее время на Земле выявлено более 200 подобных образований (в том числе 20 из них в России) и ежегодно выявляется до десяти новых. По представлениям исследователей, за последний миллиард лет произошло около миллиона соударений, а большинство астроблем не обнаружено по причине перекрытия их более молодыми осадками или водами мирового океана, уничтожения процессами эрозии. Предполагается, что могут быть обнаружены еще около 900 метеоритных кратеров.
Изучение астроблем является достаточно молодым направлением, которое начало развиваться с 1960-х гг. В России наиболее подробные работы по проблемам импактного метаморфизма выполнены В.Л. Масайтисом и В.И. Фельдманом. В процессе импактного метаморфизма выделяется большое количество энергии, сходное с количеством энергии, которое обусловливает землетрясения или извержения вулканов. При этом ударный метаморфизм протекает с высокой динамичностью явлений. Метеориты движутся в пространстве со скоростью 5- 41 км/с, а скорость их соударения с поверхностью Земли находится в пределах 0,1-7,2 км/с. В результате столкновения метеорита с поверхностью Земли происходит резкое его торможение. Энергия метеорита расходуется на механическую работу внедрения метеорита в породы, на ударное сжатие вещества метеорита и пород, на их нагрев. В зависимости от величины ударного давления вещество подвергается разрушению, оставаясь твердым, частично или полностью плавится или испаряется.