Кіріспе
Ыстық пен қысымға ұшыраған тау жыныстары
Метаморфтық тау жыныстары метаморфизм деп аталатын процесте, кез келген тау жынысының жаңа түрге айналуынан пайда болады. Бастапқы тау жынысы (протолит) жоғары температураға және көбінесе, жоғары қысымға (немесе одан да көп) ұшырайды, бұл терең физикалық немесе химиялық өзгерістерге алып келеді. Бұл процесте тау жынысы көбінесе қатты күйде қалады, бірақ біртіндеп жаңа текстураға немесе минералдық құрамға қайта кристалданады. Протолит – магмалық, шөгінді немесе бұрыннан бар метаморфтық тау жынысы болуы мүмкін. Метаморфтық тау жыныстары Жер қыртысының үлкен бөлігін құрайды және Жер бетінің 12% -ын жабады. Олар протолитіне, химиялық және минералдық құрамына, сондай-ақ текстурасына қарай жіктеледі. Олар Жер бетінің тереңіне көміліп, жоғары температура мен жоғарыдағы тау жыныстары қабатының қысымына ұшырағанда пайда болуы мүмкін. Сонымен қатар, континенттердің соқтығысуы сияқты тектоникалық процестерден де пайда болады, бұл горизонталь қысымға, үйкеліске және деформацияға әкеледі. Метаморфтық тау жыныстары жердің ішкі бөлігінен ыстық, балқыған тау жынысы – магманың енуінен жергілікті түрде де қалыптасуы мүмкін. Метаморфтық тау жыныстарын зерттеу (эрозия мен көтерілуден кейін Жер бетіне шыққанда) Жер қыртысының тереңдігіндегі температура мен қысым туралы мәліметтер береді. Гнейс, шифер, мәрмәр, кварцит және тақтатас – метаморфтық тау жыныстарының мысалдары. Шифер мен кварцит плиткалары құрылыс жұмыстарында қолданылады. Мәрмәр де ғимарат құрылысында және мүсіндеу үшін бағалы материал болып табылады. Ал тақтатас негіздері өте әлсіз болғандықтан, азаматтық инженерияда қиындықтар тудыруы мүмкін.
Шығу тегі
Метаморфтық тау жыныстары тау жыныстарының үш негізгі типінің бірін құрайды. Олар балқыған магмадан пайда болатын магмалық тау жыныстарынан және эрозияға ұшыраған немесе суда химиялық тұнбаға түскен шөгінділерден пайда болатын шөгінді тау жыныстарынан ерекшеленеді. Метаморфтық тау жыныстары, егер толығымен балқымайынша, жоғары температурада физикалық немесе химиялық түрлену арқылы пайда болады. Метаморфтық тау жыныстарының қалыптасуында жылудың маңыздылығын алғаш рет шотландтық табиғатты зерттеуші Джеймс Хаттон атап өтті, ол көбінесе қазіргі геологияның әкесі деп есептеледі. Хаттон 1795 жылы Шотландияның Таулы айманындағы кейбір тау жыныстары бастапқыда шөгінді тау жыныстары болғанын, бірақ үлкен қызудың әсерінен өзгергенін жазды. Хаттон сондай-ақ метаморфизмде қысымның маңызды екенін болжады. Оның досы Джеймс Холл бұл гипотезаны тексерді, ол балшықты зеңбірек трубасынан жасалған импровизациялық қысым ыдысына салып, темір қорыту пешінде қыздырды. Холл бұл материалдың ашық ауада балшықты қыздырудан пайда болатын әдеттегі өртке қарсы әкке қарағанда мәрмәрге ұқсас екенін анықтады. Кейіннен француз геологтары метаморфизмді тудыруға көмектесетін процестер тізіміне метасоматизмді, яғни жер астындағы тау жыныстары арқылы сұйықтықтардың айналымын қосты. Дегенмен, метаморфизм метасоматизмсіз (изохимиялық метаморфизм) немесе қысымның салыстырмалы түрде төмен болатын бірнеше жүз метр тереңдікте жүруі мүмкін (мысалы, контакттік метаморфизмде). Метаморфтық процестер метаморфталған тау жыныстарының текстурасын немесе минералдық құрамын өзгертеді.
Минералогиялық өзгерістер
Метазоматизм тау жыныстарының жалпы құрамын өзгерте алады. Тау жынысындағы кеуекті кеңістік арқылы айналып өтетін ыстық сұйықтықтар, кездесетін минералдарды ерітіп, жаңа минералдарды түйіндейді. Еріген заттар сұйықтықтармен тау жынысынан шығарылып, ал жаңа заттар жаңа сұйықтықтармен әкелінеді. Бұл, әрине, тау жынысының минералдық құрамын өзгертеді. Дегенмен, тау жынысының жалпы құрамы өзгермесе де минералдық құрамда өзгерістер болуы мүмкін. Бұл мүмкін, себебі барлық минералдар белгілі бір температура, қысым және химиялық орта шектерінде ғана тұрақты болады. Мысалы, атмосфералық қысымда цианит минералы шамамен 550 градус температурада андалузитке, ал андалузит шамамен 730 градус температурада силиманитке айналады. Үшеуінің де құрамы бірдей – Al2SiO5. Сол сияқты, форстерит мәрмәрде кең ауқымды қысым мен температурада тұрақты, бірақ плагиоклаз қосылған, кремнийге бай жыныста жоғары қысым мен температурада пироксенге айналады, осы плагиоклазбен форстерит химиялық реакцияға түседі. Минералдар балқымай-ақ көптеген күрделі жоғары температуралық реакцияларға қатысуы мүмкін, ал пайда болған әрбір минералдық жиынтық метаморфизм кезіндегі температура мен қысымды көрсетеді. Мұндай реакциялар жоғары температурада атомдардың жылдам таралуының нәтижесінде мүмкін болады. Минералдық түйіршіктер арасындағы кеуекті сұйықтық атомдар алмасуға қатысатын маңызды орта болып табылады.
Текстуралық өзгерістер
Метаморфизм процесінде тау жынысы бөлшектерінің мөлшерінің өзгеруі қайта кристалдану деп аталады. Мысалы, шөгінді тау жыныстарындағы әк және бор тастағы кішкентай кальцит кристалдары метаморфтық тау жыныстағы мәрмәрде ірі кристалдарға айналады. Метаморфтанған құмтастарында бастапқы кварц құм дәнділерінің қайта кристалдануы өте тығыз кварцитке, сондай-ақ метакварцитке алып келеді, онда көбінесе ірі кварц кристалдары бір-бірімен өріліп жатады. Жоғары температура және қысым екеуі де қайта кристалдануға себеп болады. Жоғары температуралар қатты кристалдардағы атомдар мен иондардың жылғалыуына мүмкіндік береді, осылайша кристалдарды қайта ұйымдастырады, ал жоғары қысымдар кристалдардың тау жынысы ішіндегі жанасу нүктелерінде еріуіне әкеледі.
Сипаттама
Метаморфтық тау жыныстары ерекше минералды құрамы және текстурасымен сипатталады.
Метаморфты минералдар
Әрбір минерал белгілі бір шекте ғана тұрақты болғандықтан, метаморфтық тау жыныстарындағы кейбір минералдардың кездесуі тау жынысының метаморфизмге ұшыраған шамамен температурасы мен қысымын көрсетеді. Бұл минералдар – индекс минералдары деп аталады. Мысалы, силиманит, кианит, стауролит, андалузит және кейбір гранаттар. Оливиндер, пироксендер, мүйізқоспақтар, микалар, фельдспаттар және кварц сияқты басқа минералдар да метаморфтық тау жыныстарында табылуы мүмкін, бірақ олар міндетті түрде метаморфизм процесінің нәтижесі емес. Бұл минералдар интрузивті тау жыныстарының кристалдануы кезінде де пайда болуы мүмкін. Олар жоғары температура мен қысымда тұрақты және метаморфикалық процесс барысында химиялық құрамы өзгермей қалуы мүмкін.
Құралы
Метаморфтық тау жыныстары, әдетте, олардан пайда болған бастапқы тау жынысына (протолитке) қарағанда ірі кристалды болып келеді. Кристаллдың ішкі бөлігіндегі атомдар көршілес атомдардың тұрақты орналасуымен қоршалған. Кристаллдың бетінде бұл толыққанды болмайды, нәтижесінде беткі энергия пайда болады, ол беткі қабатты термодинамикалық тұрақсыз етеді. Ірі кристалдарға қайта кристалдану беттік ауданды азайтады, соның салдарынан беткі энергияны төмендетеді. Метаморфизмнің әдеттегі салдары – кристалдардың іріленуі болғанымен, күшті деформацияланған тау жыныстары майлонит деп аталатын ұсақ кристалды тау жынысына айналып, кернеу энергиясын жоюы мүмкін. Кварц, карбонат минералдары немесе оливинге бай кейбір тау жыныстары майлониттерге айналуға бейім, ал фельдшпат және гранат майлониттенуге төзімді.
Жапырақтандыру
Метаморфтық тау жыныстарының көптеген түрлері жапырақшалану деп аталатын ерекше қабаттануды көрсетеді (латынша *folia* сөзінен шыққан, яғни "жапырақтар"). Жапырақшалану тау жынысы қайта кристалдану кезінде бір ось бойымен қысылғанда пайда болады. Бұл мика және хлорит сияқты жапырақ тәрізді минералдардың кристалдарының қысқа осін қысылу бағытына параллель бағытта бұрылуына себеп болады. Нәтижесінде жолақты немесе жапырақшаланған тау жынысы пайда болады, ал жолақтар оны құраған минералдардың түстерін көрсетеді. Жапырақшаланған тау жыныстары көбінесе жарылу жазықтықтарын дамытады. Сланце – шиферден пайда болған жапырақшаланған метаморфтық тау жынысының мысалы, және ол әдетте жақсы дамыған жарылу жазықтықтарын көрсетеді, бұл сланцеді жұқа пластиналарға бөлуге мүмкіндік береді. Жапырақшалану түрі метаморфтық дәрежеге байланысты. Мысалы, сазды тастан бастап, температураның жоғарылауымен келесі тізбек қалыптасады: Сазды тас алдымен сланцеге айналады, бұл өте ұсақ түйірлі, жапырақшаланған метаморфтық тау жынысы, өте төмен дәрежелі метаморфизмге тән. Сланце өз кезегінде филлитке айналады, ол ұсақ түйірлі және төмен дәрежелі метаморфизм аймақтарында кездеседі. Шист орташа және ірі түйірлі және орташа дәрежелі метаморфизм аймақтарында кездеседі. Жоғары дәрежелі метаморфизм тау жынысын гнейске айналдырады, ол ірі немесе өте ірі түйірлі болады. Барлық жағынан біркелкі қысымға ұшыраған немесе ерекше өсу қасиеттері бар минералдары жоқ тау жыныстары жапырақшаланбайды. Мраморда жапырақ тәрізді минералдар болмайды және ол әдетте жапырақшаланған емес, бұл оны мүсін жасау және сәулет үшін материал ретінде пайдалануға мүмкіндік береді.
Жіктеу
Метаморфтық тау жыныстары – барлық тау жыныстары түрлерінің үш негізгі бөлімінің бірі, сондықтан метаморфтық тау жыныстарының әртүрлі түрлері көптеген санда. Жалпы, егер метаморфтық тау жынысының бастапқы материалы (протолит) анықталса, тау жынысы протолиттің атына «мета» префиксін қосып сипатталады. Мысалы, егер протолит базальт екені белгілі болса, тау жынысы метабазальт деп сипатталады. Сол сияқты, протолиті конгломерат екені белгілі метаморфтық тау жынысы метаконгломерат деп сипатталады. Метаморфтық тау жыныстарын осылай жіктеу үшін протолитті басқа мәліметтерден емес, метаморфтық тау жынысының өзінің ерекшеліктерінен анықтау керек. Британдық геологиялық қызметінің жіктеу жүйесінде, егер протолиттің жалпы түрі ғана анықталса, мысалы, шөгінді немесе вулканизм, жіктеу минералдық құрамына (тастағы әртүрлі минералдардың көлемдік пайыздық үлесіне) негізделеді. Метаседименттік тау жыныстары карбонатқа бай тау жыныстарына (метакарбонаттар немесе кальцисиликатты тау жыныстары) және карбонатқа кедей тау жыныстарына бөлінеді, ал соңғылары құрамындағы миканың салыстырмалы мөлшеріне қарай жіктеледі. Бұл аз микалы псаммиттен бастап жартылай пелитке және көп микалы пелитке дейін өзгереді. Көбінесе кварцтан тұратын псаммиттер кварцит ретінде жіктеледі. Метаигнейлік тау жыныстары инейлік тау жыныстары сияқты, кремний мөлшеріне қарай жіктеледі – мета-ультрамафикалық тау жыныстарынан (кремний мөлшері өте төмен) метафельстік тау жыныстарына (кремний мөлшері жоғары). Жер қыртысының геологтар тікелей үлгі ала алатын жоғарғы бөлігінде метаморфтық тау жыныстары тек қана тереңде жүретін процестер нәтижесінде ғана қалыптасады. Бұл – контактілік (термиялық) метаморфизм, динамикалық (катакластикалық) метаморфизм, гидротермалдық метаморфизм және соққылық метаморфизм. Бұл процестер салыстырмалы түрде шешілімді болып табылады және көбінесе төмен қысымдық фацияларға, мысалы, хорнфельс және сандинит фацияларына жетеді. Көптеген метаморфтық тау жыныстары орта және төменгі қабықтағы аймақтық метаморфизм арқылы қалыптасады, онда тау жынысы жоғары қысымдық метаморфтық фацияға жетеді. Бұл тау жыныстары жер бетінде тек қана кең көтерілу және эрозия нәтижесінде бұрынғыда қыртыстың тереңінен шығарылған тау жыныстары кездесетін жерлерде ғана табылса керек.
Орогендік белдіктер
Метаморфтық тау жыныстары тектоникалық тақталардың конвергенттік шекараларындағы соқтығысуынан пайда болған орогендік белдеулерде кеңінен таралған. Бұрын терең жерленген тау жыныстары жер бетіне көтеріліп, эрозияға ұшырағаннан кейін ашыққа шығады. Орогендік белдеулерде ашыққа шыққан метаморфтық тау жыныстары жер астындағы үлкен тереңдікте, жоғары температура мен жоғарыдағы тау жыныстары қабаттарының салмағынан туындаған зор қысымға ұшырап метаморфтанған болуы мүмкін. Мұндай аймақтық метаморфизм жерлеу метаморфизмі деп аталады. Бұл көбінесе төмен сапалы метаморфтық тау жыныстарын құрайды. Көбінесе метаморфтық тау жыныстары соқтығысу процесінің өзінде қалыптасады. Тақталардың соқтығысуы осы белдеулердегі тау жыныстарында жоғары температура, қысым және деформация тудырады. Осы жағдайларда қалыптасқан метаморфтық тау жыныстары әдетте жақсы дамыған шистоздық қасиеттерге ие. Орогендік белдеулердің метаморфтық тау жыныстары әртүрлі метаморфтық фацистерді көрсетеді. Субдукция жүзеге асырылатын жерлерде субдукцияланатын тақтаның базальты жоғары қысымды метаморфтық фацистерге айналады. Алғашқыда ол зеолит және прехнит-помпеллит фацилерінің метабазальтына төмен сапалы метаморфизмге ұшырайды, бірақ базальт тереңдеген сайын блюшист фацилеріне, содан кейін эклогит фацилеріне айналады. Эклогит фацилесіне метаморфизм тау жыныстарынан көп мөлшерде су буын шығарып, жоғарыдағы жанартаулық доғада вулканизмді күшейтеді. Эклогит көк шөгіндіге қарағанда айтарлықтай тығыз болғандықтан, тақтаның Жер мантиісіне тереңірек енуіне ықпал етеді. Метабазальт пен блюшист материктердің соқтығысуынан пайда болған блюшист метаморфты белдеулерде сақталуы мүмкін. Олар офиолиттердің құрамында басым тақтаға обдукция арқылы да сақталуы мүмкін. Эклогиттер кейде континенттік соқтығысу аймақтарында кездеседі, онда субдукцияланған тау жыныстары ыстық жоғарғы мантиіде гранулиттік фацистерге айналуға үлкермей, тез арада жер бетіне шығарылады. Эклогит үлгілерінің көпшілігі жанартаулық белсенділік нәтижесінде жер бетіне көтерілген ксенолиттер болып табылады. Көптеген орогендік белдеулерде жоғары температуралы, төмен қысымды метаморфты белдеулер кездеседі. Олар жанартаулық доғалардың магмасының көтерілуінен тау жыныстарында температураның артуынан қалыптасуы мүмкін, бірақ бұл аймақтық сипатта болады. Орогендік белдеудегі деформация мен қабықтың қалыңдауы да осы сияқты метаморфтық тау жыныстарын құрауы мүмкін. Бұл тау жыныстары көкшісте, амфиболитте немесе гранулиттік фацистерге жетеді және аймақтық метаморфизм нәтижесінде пайда болған метаморфтық тау жыныстарының ең көп таралған түрлері болып табылады. Сыртқы жоғары қысымды, төмен температуралы метаморфты аймақ пен ішкі төмен қысымды, жоғары температуралы метаморфты тау жыныстары аймағының арасындағы байланыс жұптасқан метаморфты белдеу деп аталады. Жапония аралдарындағы негізгі аралдар субукцияның әртүрлі кезеңдеріне сәйкес келетін үш түрлі жұптасқан метаморфты белдеулерді көрсетеді.
Метаморфты ядролық кешендер
Метаморфтық тау жыныстары қабық кеңейіп жатқан аймақтарда қалыптасатын метаморфтық өзек кешендерінде де ашыққа шығады. Олар орта немесе төменгі қабықтың метаморфтық тау жыныстарының күмбездерін көрсететін, аз бұрышты жарылымдармен сипатталады. Бұл құрылымдар алғаш рет Солтүстік Американың оңтүстік-батысындағы Бассейн және Жұқақ таулы аймағында анықталды және зерттелді, бірақ олар Эгей теңізінің оңтүстігінде, Д'Энтрекасто аралдарында және басқа да кеңейіп жатқан аймақтарда да табылды.
Гранит-жасыл тас белбеулері
Континенттік қалқандар – континенттердің тұрақты өзектерін құрайтын, жалаңаш көрiнген ежелгі тау жыныстарының аймақтары. Қалқандардың ең көне аймақтарындағы тау жыныстары архей дәуіріне (2500 миллион жылдан астам) жатады және көбінесе гранит-жасыл тас белдеулерінен тұрады. Жасыл тас белдеулерінде метавольканиктік және метаседименталық тау жыныстары кездеседі, олар салыстырмалы түрде аз қарқынды метаморфизмге ұшыраған, температурасы және қысымы белгілі. Оларды метабазальттардың төменгі тобына (сирек кездесетін метакоматиттерді қоса), метааралық және метафелсикалық тау жыныстарының орта тобына, сондай-ақ метаседименталық тау жыныстарының жоғарғы тобына бөлуге болады. Жасыл тас белдеулері амфиболиттік немесе гранулиттік фацияға дейін жоғары деформацияланған, төмен қысымды, жоғары температуралы (астам) метаморфизмге ұшыраған жоғары дәрежелі гнейстік аймақтармен қоршалған. Олар Архей кратондарының көп бөлігін құрайды. Гранит-жасыл тас белдеулеріне тоналит-тронджемит-гранодиорит немесе ТТГ тобы деп аталатын ерекше граниттік тау жыныстарының шоғыры еніп жатыр. Бұл кратонның ең көп көлемді тау жыныстары болып табылады және континенттік қабықтың қалыптасуының маңызды бастапқы кезеңін көрсетеді.
Орта мұхит қырқалары
Орта мұхит қыртыстары – тектоникалық тақталар алыстағанда жаңа мұхит қабығының қалыптасатын жерлері. Мұнда гидротермиялық метаморфизм кеңінен дамыған. Ол тау жынысынан өтетін ыстық сұйықтықтардың әсерінен болатын метасоматизммен сипатталады. Бұл жасылсланец фациясына жататын метаморфтық жыныстардың түзілуіне алып келеді. Серпентинит – осы орталарға тән метаморфтық жыныс, ол ультрамафикалық жыныстардағы оливин мен пироксеннің серпентин тобы минералдарына химиялық түрленуін көрсетеді.
Контакттық ауреолалар
Контакттық метаморфизм магма қоршаған қатты жынысқа (өлке жынысына) енгізілген кезде пайда болады. Өзгерістер магма жыныспен жанасқан жерде ең жоғары болады, себебі температура осы шекарада максималды болып, одан алыстаған сайын төмендейді. Суыған магмадан пайда болған магмалық жыныстың айналасында метаморфоздық аймақ – контакттық ауреол қалыптасады. Ауреолдар контактілік аймақтан бастап, алыстағы өзгермеген (өзгеріссіз) өлке жынысына дейін метаморфизмнің барлық түрлерін көрсетуі мүмкін. Маңызды кен минералдарының пайда болуы метасоматизм процесі арқылы немесе контактілік аймақта жүруі мүмкін. Ірі плутондардың айналасындағы контакттық ауреолдардың ені бірнеше километрге жете алады. Геологтар «хорнфелл» терминін контакттық метаморфизмнің нәтижесінде пайда болған ұсақ түйірлі, тығыз, жапырақты емес өнімдерді көрсету үшін жиі қолданады. Контакттық ауреол әдетте аз деформацияға ұшырайды, сондықтан хорнфеллдерде әдетте шистоздық болмайды және олар берік, тең түйірлі жыныс құрайды. Егер жыныс бастапқыда жолақты немесе жапырақты болса (мысалы, қабатты құмтас немесе жапырақты кальцит шистысы), бұл ерекшелік толығымен жойылмайды, нәтижесінде жолақты хорнфелл пайда болады. Сонымен қатар, магмалық магма мен шөгінді өлке жынысы арасында метасоматизмге бейімділік бар, оның салдарынан әрқайсысының химиялық құрауы алмасылады немесе біріне енгізіледі. Осылайша, скарн деп аталатын гибридтік жыныстар пайда болады.
Қолданылуы
Скрипальдік плиткалар құрылыста, әсіресе шатыр жабыны ретінде қолданылады, сондай-ақ мүсін жасау үшін материал ретінде де пайдаланылады. Метаморфтанған ультрамафикалық тау жыныстары серпентин тобының минералдарын қамтиды, олардың ішінде адам денсаулығына қауіпті асбест түрлері де бар.