Метаморфические породы: формирование, типы и значение.

Введение

Скалы, подвергшиеся воздействию тепла и давления.

Метаморфические породы образуются в результате преобразования существующих пород в новые типы пород в процессе, называемом метаморфизмом. Исходная порода (протолит) подвергается воздействию температур выше определённого порога и, часто, повышенного давления в или более, что вызывает глубокие физические или химические изменения. В ходе этого процесса порода в основном остаётся в твердом состоянии, но постепенно перекристаллизовывается, приобретая новую текстуру или минеральный состав. Протолитом может быть магматическая, осадочная или уже существующая метаморфическая порода. Метаморфические породы составляют значительную часть земной коры и занимают 12% суши Земли. Они классифицируются по протолиту, химическому и минеральному составу, а также текстуре. Они могут образовываться просто в результате глубокого залегания под поверхностью Земли, где они подвергаются высоким температурам и огромному давлению вышележащих горных слоев. Они также могут формироваться в результате тектонических процессов, таких как столкновение континентов, вызывающее горизонтальное давление, трение и деформацию. Метаморфические породы могут образовываться локально, когда порода нагревается при внедрении горячей расплавленной породы, называемой магмой, из недр Земли. Изучение метаморфических пород (которые обнажаются на поверхности Земли после эрозии и поднятия) предоставляет информацию о температурах и давлениях, существующих на больших глубинах в земной коре. Примеры метаморфических пород включают гнейс, сланец, мрамор, сланцы и кварцит. Плиты из сланца и кварцита используются в строительстве. Мрамор также ценится в строительстве и как материал для скульптуры. С другой стороны, сланцевый фундамент может представлять сложность для гражданского строительства из-за ярко выраженных плоскостей ослабления.

Происхождение

Метаморфические породы образуют одно из трех основных подразделений типов пород. Они отличаются от магматических пород, формирующихся из расплавленной магмы, и от осадочных пород, образующихся из обломков, выветренных из существующих пород, или химически осаждаемых из водоемов. Метаморфические породы формируются, когда существующая порода преобразуется физически или химически при повышенной температуре, не расплавляясь при этом в значительной степени. Важность нагрева в образовании метаморфических пород впервые отметил шотландский натуралист Джеймс Хаттон, которого часто называют отцом современной геологии. В 1795 году Хаттон писал, что некоторые скальные слои Шотландского нагорья изначально представляли собой осадочные породы, но были преобразованы под воздействием сильного тепла. Хаттон также предположил, что давление играет важную роль в метаморфизме. Эта гипотеза была проверена его другом Джеймсом Холлом, который поместил мел в самодельный сосуд для создания давления, изготовленный из пушечного ствола, и нагрел его в доменной печи. Холл обнаружил, что в результате получился материал, сильно напоминающий мрамор, а не обычную негашеную известь, образующуюся при нагревании мела на воздухе. Французские геологи впоследствии добавили метасоматизм – циркуляцию флюидов через погребенные породы – в список процессов, способствующих метаморфизму. Однако метаморфизм может происходить и без метасоматизма (изохимический метаморфизм), или на глубине всего в несколько сотен метров, где давление относительно невелико (например, при контактном метаморфизме). Метаморфические процессы изменяют текстуру или минеральный состав метаморфизованной породы.

Минералогические изменения

Метасоматизм может изменять общий состав породы. Горячие флюиды, циркулирующие через поры в породе, способны растворять существующие минералы и осаждать новые. Растворенные вещества выносятся из породы флюидами, а новые вещества привносятся свежими флюидами. Это, очевидно, может изменить минеральный состав породы. Однако изменения в минеральном составе могут происходить даже при неизменном общем составе породы. Это возможно, поскольку все минералы стабильны лишь в определенных пределах температуры, давления и химической среды. Например, при атмосферном давлении минерал кианит превращается в андалузит при температуре около 40 градусов, а андалузит, в свою очередь, превращается в силиманит при температуре около 40 градусов. Все три имеют идентичный состав – Al2SiO5. Аналогично, форстерит стабилен в широком диапазоне давления и температуры в мраморе, но превращается в пироксен при повышенном давлении и температуре в более богатых силикатами породах, содержащих плагиоклаз, с которым форстерит вступает в химическую реакцию. Многие сложные высокотемпературные реакции могут протекать между минералами без их плавления, и каждая образовавшаяся минеральная ассоциация указывает на температуру и давление в момент метаморфизма. Эти реакции возможны благодаря быстрой диффузии атомов при повышенных температурах. Поровая жидкость между минеральными зернами может служить важной средой для обмена атомами.

Изменения текстуры

Изменение размера частиц горной породы в процессе метаморфизма называется рекристаллизацией. Например, мелкие кристаллы кальцита в осадочных породах известняке и мелу превращаются в более крупные кристаллы в метаморфической породе мраморе. В метаморфизованном песчанике рекристаллизация исходных песчинок кварца приводит к образованию очень плотного кварцита, также известного как метакварцит, в котором часто более крупные кристаллы кварца сцеплены между собой. Высокие температуры и давления способствуют рекристаллизации. Высокие температуры позволяют атомам и ионам в твердых кристаллах перемещаться, тем самым перестраивая кристаллическую структуру, а высокое давление вызывает растворение кристаллов внутри породы в точках их соприкосновения.

Описание

Метаморфические породы характеризуются своим отличительным минеральным составом и текстурой.

Метаморфные минералы

Поскольку каждый минерал стабилен лишь в определенных пределах, присутствие определенных минералов в метаморфических породах указывает на приблизительные температуры и давления, при которых порода подверглась метаморфизму. Эти минералы известны как минералы-индикаторы. Примеры включают силиманит, кианит, стауролит, андалузит и некоторые виды граната. Другие минералы, такие как оливины, пироксены, роговая обманка, слюды, полевые шпаты и кварц, могут встречаться в метаморфических породах, но необязательно являются результатом процесса метаморфизма. Эти минералы также могут образовываться при кристаллизации магматических пород. Они стабильны при высоких температурах и давлениях и могут оставаться химически неизменными в ходе метаморфического процесса.

Текстура

Метаморфические породы обычно имеют более крупнозернистую структуру, чем исходная порода (протолит), из которой они образовались. Атомы внутри кристалла окружены стабильным расположением соседних атомов. Это расположение частично отсутствует на поверхности кристалла, что создает поверхностную энергию, делающую поверхность термодинамически нестабильной. Рекристаллизация с образованием более крупных кристаллов уменьшает площадь поверхности и, следовательно, минимизирует поверхностную энергию. Хотя увеличение размера зерна – распространенный результат метаморфизма, сильно деформированные породы могут снизить энергию деформации путем рекристаллизации в мелкозернистую породу, называемую милонитом. Определенные типы пород, такие как богатые кварцем, карбонатными минералами или оливином, особенно склонны к образованию милонитов, в то время как полевой шпат и гранат устойчивы к милонитизации.

Листовка

Многие виды метаморфических пород демонстрируют отчетливую слоистость, называемую фолиацией (от латинского слова folia, означающего "листы"). Фолиация развивается, когда порода сжимается вдоль одной оси в процессе перекристаллизации. Это приводит к тому, что кристаллы пластинчатых минералов, таких как слюда и хлорит, поворачиваются таким образом, что их короткие оси оказываются параллельны направлению сжатия. В результате образуется полосчатая, или фолированная, порода, в которой полосы отражают цвета минералов, из которых она образовалась. В фолированных породах часто развиваются плоскости спайности. Сланцевидный камень – пример фолированной метаморфической породы, образованной из глинистого сланца, и обычно обладает хорошо выраженной спайностью, позволяющей раскалывать его на тонкие пластины. Тип развивающейся фолиации зависит от степени метаморфизма. Например, начиная с глинистого сланца, при повышении температуры развивается следующая последовательность: глинистый сланец сначала превращается в сланцевидный камень, который является мелкозернистой, фолированной метаморфической породой, характерной для метаморфизма очень низкой степени. Сланцевидный камень, в свою очередь, превращается в филлит, который также мелкозернистый и встречается в областях метаморфизма низкой степени. Сшисты имеют среднее или крупнозернистое строение и встречаются в областях метаморфизма средней степени. Метаморфизм высокой степени превращает породу в гнейс, который имеет крупное или очень крупное зерно. Породы, подвергавшиеся равномерному давлению со всех сторон, или те, которые не содержат минералов с выраженными формами кристаллов, не будут фолированными. Мрамор не содержит пластинчатых минералов и обычно не имеет фолиации, что позволяет использовать его в качестве материала для скульптуры и архитектуры.

Классификация

Метаморфические породы являются одним из трех основных разделов всех типов пород, поэтому существует большое разнообразие метаморфических пород. В общем случае, если протолит метаморфической породы можно установить, порода описывается добавлением префикса «мета» к названию протолита. Например, если протолит известен как базальт, порода будет описана как метабазальт. Аналогично, метаморфическая порода, протолитом которой является конгломерат, будет описываться как метаконгломерат. Для такой классификации метаморфических пород протолит должен быть идентифицирован по характеристикам самой метаморфической породы, а не выведен из других данных. В соответствии с системой классификации Британской геологической службы, если о протолите можно определить только его общий тип, например, осадочный или вулканический, классификация основывается на минеральном составе (объемные проценты различных минералов в породе). Метаседиментарные породы подразделяются на породы, богатые карбонатами (метакарбонаты или кальцисиликатные породы), и породы, бедные карбонатами, причем последние далее классифицируются по относительному содержанию слюды в их составе. Это варьируется от псаммита с низким содержанием слюды через полупелит до пелита с высоким содержанием слюды. Псаммиты, состоящие в основном из кварца, классифицируются как кварциты. Метамагматические породы классифицируются аналогично магматическим породам, по содержанию кремнезема, от метаультрамафических пород (с очень низким содержанием кремнезема) до метафельсических пород (с высоким содержанием кремнезема). В верхней коре, которая является единственной частью земной коры, доступной для непосредственного изучения геологами, метаморфические породы образуются только в результате процессов, протекающих на небольшой глубине. К ним относятся контактный (термический) метаморфизм, динамический (катакластический) метаморфизм, гидротермальный метаморфизм и ударный метаморфизм. Эти процессы относительно локальны и обычно достигают только низкотемпературных и низкодавленных фаций, таких как роговик и сандинитовая фация. Большинство метаморфических пород формируется в результате регионального метаморфизма в средней и нижней коре, где породы достигают высокотемпературных и высокодавленных метаморфических фаций. Эти породы обнаруживаются на поверхности только в тех местах, где обширный подъем и эрозия обнажили породы, которые ранее находились на большей глубине в коре.

Metamorphic rocks are one of the three great divisions of all rock types, and so there is a great variety of metamorphic rock types. In general, if the protolith of a metamorphic rock can be determined, the rock is described by adding the prefix meta to the protolith rock name. For example, if the protolith is known to be basalt, the rock will be described as a metabasalt. Likewise, a metamorphic rock whose protolith is known to be a conglomerate will be described as a metaconglomerate. For a metamorphic rock to be classified in this manner, the protolith should be identifiable from the characteristics of the metamorphic rock itself, and not inferred from other information. Under the British Geological Survey's classification system, if all that can be determined about the protolith is its general type, such as sedimentary or volcanic, the classification is based on the mineral mode (the volume percentages of different minerals in the rock). Metasedimentary rocks are divided into carbonate rich rock (metacarbonates or calcsilicate rocks) or carbonate poor rocks, and the latter are further classified by the relative abundance of mica in their composition. This ranges from low mica psammite through semipelite to high mica pelite. Psammites composed mostly of quartz are classified as quartzite. Metaigneous rocks are classified similarly to igneous rocks, by silica content, from meta ultramafic rock (which is very low in silica) to metafelsic rock (with a high silica content). Within the upper crust, which is the only part of the Earth's crust geologists can directly sample, metamorphic rock forms only from processes that can occur at shallow depth. These are contact (thermal) metamorphism, dynamic (cataclastic) metamorphism, hydrothermal metamorphism, and impact metamorphism. These processes are relatively local in occurrence and usually reach only the low pressure facies, such as the hornfels and sanidinite facies. Most metamorphic rock is formed by regional metamorphism in the middle and lower crust, where the rock reaches the higher pressure metamorphic facies. This rock is found at the surface only where extensive uplift and erosion has exhumed rock that was formerly much deeper in the crust.

Оргенные пояса

Метаморфические породы широко распространены в орогенных поясах, образованных столкновением тектонических плит на конвергентных границах. Здесь породы, ранее погребенные на большой глубине, поднялись на поверхность в результате подъема и эрозии. Метаморфические породы, обнажающиеся в орогенных поясах, могли быть метаморфизованы просто за счет нахождения на значительной глубине под поверхностью Земли, подвергаясь высоким температурам и огромному давлению, вызванному весом вышележащих слоев горных пород. Этот вид регионального метаморфизма известен как метаморфизм погребения. Он обычно приводит к образованию метаморфических пород низкой степени. Гораздо чаще встречаются метаморфические породы, образовавшиеся непосредственно в процессе столкновения. Столкновение плит вызывает высокие температуры, давление и деформацию горных пород вдоль этих поясов. Метаморфические породы, сформировавшиеся в таких условиях, как правило, демонстрируют хорошо выраженную сланцеватость. Метаморфические породы орогенных поясов демонстрируют разнообразие метаморфических фаций. В зонах субдукции базальт субдуцирующей плиты метаморфизуется в фации метаморфизма высокого давления. Изначально он подвергается метаморфизму низкой степени, превращаясь в метабазальт цеолитовой, прехнитовой и фации преднита-пумпеллита, но по мере погружения базальта на большую глубину он метаморфизуется в фацию голубых сланцев, а затем в фацию эклогитов. Метаморфизм до фации эклогитов высвобождает значительное количество водяного пара из породы, что стимулирует вулканизм в надлежащей вулканической дуге. Эклогит также значительно плотнее голубых сланцев, что способствует дальнейшей субдукции плиты в глубину мантии Земли. Метабазальты и голубые сланцы могут сохраняться в метаморфических поясах голубых сланцев, образованных в результате столкновений между континентами. Они также могут сохраняться при обдукции на перекрывающую плиту в составе офиолитов. Эклогиты иногда обнаруживаются в местах континентального столкновения, где субдуцированная порода быстро поднимается на поверхность, прежде чем она сможет превратиться в гранулитовую фацию в горячей верхней мантии. Многие образцы эклогитов являются ксенолитами, вынесенными на поверхность вулканической деятельностью. Многие орогенные пояса содержат метаморфические пояса с более высокими температурами и более низким давлением. Они могут образовываться за счет нагрева горных пород восходящей магмой вулканических дуг, но в региональном масштабе. Деформация и утолщение земной коры в орогенном поясе также могут приводить к образованию этих типов метаморфических пород. Эти породы достигают фаций зеленых сланцев, амфиболита или гранулита и являются наиболее распространенными метаморфическими породами, образованными в результате регионального метаморфизма. Ассоциация внешней метаморфической зоны высокого давления и низкой температуры с внутренней зоной метаморфических пород низкого давления и высокой температуры называется парным метаморфическим поясом. Основные острова Японии демонстрируют три отчетливых парных метаморфических пояса, соответствующие различным эпизодам субдукции.

Metamorphic rock is extensively exposed in orogenic belts produced by the collision of tectonic plates at convergent boundaries. Here formerly deeply buried rock has been brought to the surface by uplift and erosion. The metamorphic rock exposed in orogenic belts may have been metamorphosed simply by being at great depths below the Earth's surface, subjected to high temperatures and the great pressure caused by the immense weight of the rock layers above. This kind of regional metamorphism is known as burial metamorphism. This tends to produce low grade metamorphic rock. Much more common is metamorphic rock formed during the collision process itself. The collision of plates causes high temperatures, pressures and deformation in the rocks along these belts. Metamorphic rock formed in these settings tends to shown well developed schistosity. Metamorphic rock of orogenic belts shows a variety of metamorphic facies. Where subduction is taking place, the basalt of the subducting slab is metamorphosed to high pressure metamorphic facies. It initially undergoes low grade metamorphism to metabasalt of the zeolite and prehnite pumpellyite facies, but as the basalt subducts to greater depths, it is metamorphosed to the blueschist facies and then the eclogite facies. Metamorphism to the eclogite facies releases a great deal of water vapor from the rock, which drives volcanism in the overlying volcanic arc. Eclogite is also significantly denser than blueschist, which drives further subduction of the slab deep into the Earth's mantle. Metabasalt and blueschist may be preserved in blueschist metamorphic belts formed by collisions between continents. They may also be preserved by obduction onto the overriding plate as part of ophiolites. Eclogites are occasionally found at sites of continental collision, where the subducted rock is rapidly brought back to the surface, before it can be converted to the granulite facies in the hot upper mantle. Many samples of eclogite are xenoliths brought to the surface by volcanic activity. Many orogenic belts contain higher temperature, lower pressure metamorphic belts. These may form through heating of the rock by ascending magmas of volcanic arcs, but on a regional scale. Deformation and crustal thickening in an orogenic belt may also produce these kinds of metamorphic rocks. These rocks reach the greenschist, amphibolite, or granulite facies and are the most common of metamorphic rocks produced by regional metamorphosis. The association of an outer high pressure, low temperature metamorphic zone with an inner zone of low pressure, high temperature metamorphic rocks is called a paired metamorphic belt. The main islands of Japan show three distinct paired metamorphic belts, corresponding to different episodes of subduction.

Метаморфные комплексы ядра

Метаморфические породы также обнажаются в комплексах метаморфных ядер, которые формируются в областях растяжения коры. Они характеризуются разломами с небольшим углом наклона, обнажающими купола, сложенные метаморфическими породами средней или нижней коры. Впервые они были обнаружены и изучены в Бассейне и Хребте на юго-западе Северной Америки, но также встречаются в южной части Эгейского моря, на островах Д’Энтрекасто и в других областях растяжения.

Гранитные пояса из зеленого камня

Континентальные щиты – это области обнажённых древних пород, составляющие стабильные ядра континентов. Породы, вскрытые в самых древних областях щитов, относящиеся к архейскому возрасту (более 2500 миллионов лет), преимущественно принадлежат к гранитным зеленокаменным поясам. Зеленокаменные пояса содержат метавулканические и метаосадочные породы, подвергшиеся относительно слабому метаморфизму при температурах и давлениях. Они подразделяются на нижнюю группу метабазальтов, включающую редкие метакоматииты; среднюю группу метаинтермедиатов и метафельситов; и верхнюю группу метаосадочных пород. Зеленокаменные пояса окружены высокометаморфизованными гнейсовыми областями, демонстрирующими сильно деформированный метаморфизм низкого давления и высокой температуры (выше) до амфиболитовой или гранулитовой фаций. Они составляют большую часть вскрытых пород в архейских кратонах. Гранитные зеленокаменные пояса пронизаны характерной группой гранитоидов, называемой тоналит-трондхьемит-гранодиоритовым комплексом (TTG-комплексом). Эти породы являются наиболее распространёнными в кратоне и могут представлять собой важную раннюю стадию формирования континентальной коры.

Среднеокеанские хребты

Среднеокеанические хребты – это места формирования новой океанической коры в результате расхождения тектонических плит. Здесь широко развит гидротермальный метаморфизм, характеризующийся метасоматизмом, вызванным циркуляцией горячих флюидов через горные породы. В результате образуются метаморфические породы греenschist-фации. Особенно характерной для этих условий является метаморфическая порода – серпентинит, представляющий собой химическое преобразование оливина и пироксена в ультрамафических породах в минералы группы серпентина.

Контактные ореолы

Контактный метаморфизм происходит при внедрении магмы в окружающую твердую породу (прилегающую породу). Изменения наиболее выражены в местах контакта магмы с породой, поскольку температура максимальна на этой границе и уменьшается по мере удаления от нее. Вокруг магматической породы, образовавшейся в результате охлаждения магмы, располагается метаморфизованная зона, называемая контактным ореолом. Ореолы могут демонстрировать все степени метаморфизма – от зоны контакта до неметаморфизованной (неизмененной) прилегающей породы на некотором расстоянии. Образование важных рудных минералов может происходить в процессе метасоматизма в контактной зоне или вблизи нее. Контактные ореолы вокруг крупных плутонов могут достигать нескольких километров в ширину. Геологи часто используют термин "горнфель" для обозначения мелкозернистых, плотных, неслоистых продуктов контактного метаморфизма. Контактный ореол обычно характеризуется незначительной деформацией, поэтому горнфель обычно лишен сланцеватости и образует прочную, равнозернистую породу. Если исходная порода была полосатой или слоистой (например, слоистый песчаник или сланцеватый известняк), эта особенность может сохраняться, образуя полосатый горнфель. Также наблюдается тенденция к метасоматизму между магматической магмой и осадочной прилегающей породой, в результате которого происходит обмен химическими элементами между ними или их внедрение друг в друга. В этом случае формируются гибридные породы, называемые скарнами.

Применение

Сланцевая плитка используется в строительстве, особенно в качестве кровельной черепицы, а также как материал для скульптуры. Метаморфизованные ультрамафические породы содержат минералы группы серпентина, включающие в себя разновидности асбеста, опасные для здоровья человека.