Введение
Переходное понятие геологического времени
Цикл горных пород – это фундаментальное понятие в геологии, описывающее переходы между тремя основными типами горных пород в течение геологического времени: осадочными, метаморфическими и магматическими. Каждый тип породы претерпевает изменения, когда он выводится из состояния равновесия. Например, магматическая порода, такая как базальт, может разрушаться и растворяться при контакте с атмосферой или плавиться при субдукции под континент. Под воздействием движущих сил цикла горных пород – тектоники плит и круговорота воды – породы не остаются в равновесии и изменяются при попадании в новые условия. Цикл горных пород объясняет взаимосвязь между тремя типами пород и то, как процессы переходят от одного типа к другому с течением времени. Этот циклический характер делает изменение горных пород геологическим циклом, а на планетах, содержащих жизнь, – биогеохимическим циклом.
Переход к магматическим породам
Когда горные породы погружаются глубоко под поверхность Земли, они могут расплавляться, образуя магму. Если условия, поддерживающие магму в жидком состоянии, исчезают, она остывает и затвердевает, формируя магматическую породу. Порода, остывающая внутри Земли, называется интрузивной или плутонической и остывает очень медленно, образуя крупнозернистую текстуру, как, например, у гранита. В результате вулканической активности магма (которая на поверхности Земли называется лавой) может очень быстро остывать на поверхности, контактирующей с атмосферой, и тогда она называется экструзивной или вулканической породой. Эти породы имеют мелкозернистую структуру, а иногда остывают настолько быстро, что кристаллы не успевают образоваться, образуя природное стекло, такое как обсидиан. Однако наиболее распространенной мелкозернистой породой является базальт. Любой из трех основных типов горных пород (магматические, осадочные и метаморфические) может расплавляться в магму и затвердевать, образуя магматические породы.
Вторичные изменения
Эпигенетические изменения (вторичные процессы, происходящие при низких температурах и низком давлении) можно классифицировать по ряду признаков, каждый из которых характерен для определенной группы пород или минералов, образующих породы, хотя обычно в одной и той же породе протекает более одного из этих изменений. Силицификация, или замещение минералов кристаллическим или скрытокристаллическим кремнезёмом, наиболее распространена в фелсических породах, таких как риолит, но также встречается в серпентине и других породах. Каолинизация – это разложение полевых шпатов, наиболее распространенных минералов в магматических породах, до каолина (вместе с кварцем и другими глинистыми минералами); она наиболее ярко выражена в гранитах и сиенитах. Серпентинизация – это превращение оливина в серпентин (с магнетитом); она типична для перидотитов, но встречается в большинстве мафических пород. При уралитизации вторичный роговая обманка замещает авгит; хлоритизация – это превращение авгита (биотита или роговой обманки) в хлорит, которое наблюдается во многих диабазах, диоритах и зелёных сланцах. Эпидотизация также происходит в породах этой группы и заключается в образовании эпидота из биотита, роговой обманки, авгита или плагиоклазового полевого шпата.
Переход к метаморфной породе
Камни, подверженные воздействию высоких температур и давлений, могут изменяться физически или химически, образуя другую породу, называемую метаморфической. Региональный метаморфизм относится к изменениям, происходящим в больших массах горных пород на обширных территориях, как правило, связанным с процессами горообразования в орогенных поясах. Эти породы часто демонстрируют отчетливые полосы различной минеральной композиции и окраски, называемые слоистостью. Другой основной тип метаморфизма вызывается контактом горной породы с магматическим внедрением, которое нагревает окружающую вмещающую породу. Этот контактный метаморфизм приводит к изменению и перекристаллизации породы под воздействием экстремальной температуры магмы и/или добавлению флюидов из магмы, которые вносят химические элементы в окружающую породу (метасоматизм). Любой ранее существовавший тип породы может быть изменен процессами метаморфизма.
Переход к осадочным породам
Скалы, подверженные воздействию атмосферы, обладают различной степенью неустойчивости и подвергаются процессам выветривания и эрозии. Выветривание и эрозия разрушают исходную породу на более мелкие фрагменты и уносят растворенные вещества. Этот фрагментированный материал накапливается и погребается под дополнительными отложениями. Хотя отдельное песчинка все еще относится к классу породы, из которой она образовалась, порода, состоящая из таких сцементированных зерен, является осадочной. Осадочные породы могут формироваться в результате литификации этих погребенных мелких фрагментов (кластические осадочные породы), накопления и литификации материала, образованного живыми организмами (биогенные осадочные породы – ископаемые), или литификации химически осажденного материала из минералосодержащего раствора в результате испарения (осадочные породы-осадки). Кластические породы могут образовываться из фрагментов, отколовшихся от более крупных пород любого типа в результате процессов, таких как эрозия, или из органического материала, например, растительных остатков. Биогенные и осадочные породы формируются в результате осаждения минералов из химических веществ, растворенных во всех других типах горных пород.
Тектоника плит
В 1967 году Дж. Тузо Уилсон опубликовал статью в журнале Nature, описывающую повторяющееся открытие и закрытие океанических бассейнов, с особым акцентом на современную область Атлантического океана. Эта концепция, являющаяся частью революции в теории тектоники плит, получила название цикл Уилсона. Цикл Уилсона оказал глубокое влияние на современную интерпретацию цикла горных пород, поскольку тектоника плит была признана движущей силой этого цикла.
Расширяющие хребты
На расходящихся границах срединно-океанических хребтов новая магма образуется в результате подъема вещества мантии и зоны неглубокого плавления. Эта юная базальтовая магма представляет собой раннюю стадию магматической фазы цикла. По мере раздвижения тектонических плит по обе стороны от хребта, новая порода удаляется от него, а взаимодействие нагретой циркулирующей морской воды с трещинами запускает ретроградный метаморфизм этой породы.
Зона субдукции
Новая базальтовая океаническая кора в конечном итоге достигает зоны субдукции, удаляясь от срединно-океанического хребта. По мере погружения этой коры в мантию, возрастающее давление и температура приводят к перестройке минерального состава породы, этот метаморфизм преобразует породу в эклогит. По мере углубления плиты базальтовой коры и содержащихся в ней осадочных пород, вода и другие летучие вещества высвобождаются и поднимаются в надлежащий клин горных пород над зоной субдукции, где давление ниже. В этом клине, под воздействием низкого давления, высокой температуры и обогащенных летучими веществами материалов, происходит плавление, и образовавшаяся всплывающая магма поднимается сквозь вышележащие породы, формируя вулканизм островных дуг или континентальных окраин. Этот вулканизм характеризуется увеличением содержания кремнезема по мере удаления от края островной дуги или континентальной окраины, что указывает на более глубокий источник и более дифференцированную магму. В отдельные периоды часть метаморфизированной погружающейся плиты может быть надвинута или обдукцирована на континентальную границу. Эти блоки мантийного перидотита и метаморфических эклогитов обнажаются в виде офиолитовых комплексов. Свежеизвергнутые вулканические материалы подвергаются быстрой эрозии в зависимости от климатических условий. Эти осадки накапливаются в бассейнах по обе стороны от островных дуг. По мере углубления осадочных отложений начинается литификация, в результате чего формируются осадочные породы.
Континентальное столкновение
На заключительной фазе классического цикла Уилсона две континентальные или меньшие терраны сталкиваются в зоне конвергенции. Поскольку обе массы континентальной коры имеют низкую плотность и состоят из кремнистых пород, ни одна из них не может быть субдуцирована. При столкновении этих двух масс возникают огромные силы сжатия, которые деформируют и изменяют вовлеченные породы. Результатом является региональный метаморфизм во внутренней части формирующегося орогена, или процесса горообразования. По мере сжатия, складчатости и разломов, приводящих к образованию горной цепи в результате континентального столкновения, весь комплекс ранее существовавших магматических, вулканических, осадочных и более ранних метаморфических пород подвергается этому новому метаморфическому событию.
Ускоренная эрозия
Высокие горные хребты, образовавшиеся в результате столкновения континентов, немедленно подвергаются воздействию сил эрозии. Эрозия разрушает горы, и образуются массивные скопления осадочного материала на прилегающих к океану окраинах, в мелководных морях и в виде континентальных отложений. По мере углубления эти осадочные отложения литифицируются, превращаясь в осадочные породы. Метаморфические, магматические и осадочные породы гор становятся новым осадочным материалом в смежных бассейнах и в конечном итоге превращаются в осадочные породы.
Процесс, который развивается
Цикл пород тектоники плит – это эволюционный процесс. Образование магмы, как в средах срединно-океанических хребтов, так и в надклинье над зоной субдукции, благоприятствует извержению более богатой кремнезёмом и летучими веществами фракции материала коры или верхней мантии. Этот материал с меньшей плотностью склонен оставаться в коре и не подвергаться субдукции обратно в мантию. Магматические аспекты тектоники плит приводят к постепенной сегрегации внутри или между мантией и корой. При формировании магмы, первоначальный расплав состоит из более богатых кремнезёмом фаз, имеющих более низкую температуру плавления. Это приводит к частичному плавлению и дальнейшей сегрегации литосферы. Кроме того, богатая кремнезёмом континентальная кора относительно плавуча и обычно не подвергается субдукции обратно в мантию. Таким образом, со временем континентальные массы увеличиваются в размерах.
Роль воды
Наличие обильного количества воды на Земле имеет огромное значение для цикла горных пород. Наиболее очевидными являются, пожалуй, процессы выветривания и эрозии, обусловленные водой. Вода в виде осадков, кислой почвенной воды и грунтовых вод весьма эффективно растворяет минералы и горные породы, особенно магматические и метаморфические породы, а также морские осадочные породы, которые нестабильны в приповерхностных и атмосферных условиях. Вода уносит растворенные в ней ионы и продукты разрушения – фрагменты, образующиеся в результате выветривания. Поверхностные воды переносят огромные объемы осадочного материала в реки, а затем в океан и внутренние бассейны. Накопленные и погребенные осадки вновь превращаются в горные породы. Менее заметная роль воды заключается в процессах метаморфизма, происходящих в свежих вулканических породах морского дна, когда морская вода, иногда нагретая, проникает через трещины и щели в породе. Все эти процессы, иллюстрируемые, например, серпентинизацией, являются важной частью разрушения вулканических пород. Важнейшая роль воды и других летучих веществ заключается в плавкости существующих пород земной коры в мантийном клине над зоной субдукции. Наряду с водой, источником летучих веществ, способствующих плавлению, является присутствие углекислого газа и других углеродных соединений из обильного морского известняка, содержащегося в осадочных породах, перекрывающих опускающуюся плиту. Это вовлекает в цикл горных пород и углеродный цикл.