Метаморфизм: Изменение горных пород без плавления.

Введение

Изменение минерального состава в уже существующих породах без перехода в жидкую магму.

Метаморфизм – это трансформация существующей породы (протолита) в породу с иным минеральным составом или текстурой. Метаморфизм происходит при температурах выше определенных значений, и часто также при повышенном давлении или в присутствии химически активных флюидов, однако порода в основном остается твердой в процессе трансформации. Метаморфизм отличается от выветривания или диагенеза, которые представляют собой изменения, происходящие на или непосредственно под поверхностью Земли. Существуют различные типы метаморфизма, включая региональный, контактный, гидротермальный, шоковый и динамический. Они различаются по характерным температурам, давлениям, скорости протекания и степени участия реакционноспособных флюидов. Метаморфизм, протекающий в условиях возрастающего давления и температуры, называется проградным метаморфизмом, а снижение температуры и давления характеризует ретроградный метаморфизм. Метаморфическая петрология – это изучение метаморфизма. Метаморфические петрологи широко используют статистическую механику и экспериментальную петрологию для понимания метаморфических процессов.

Метаморфические процессы

Метаморфизм – это совокупность процессов, посредством которых существующая порода преобразуется физически или химически при повышенной температуре, без существенного плавления. Важность нагрева в образовании метаморфических пород впервые была отмечена шотландским натуралистом Джеймсом Хаттоном, которого часто называют отцом современной геологии. Хаттон в 1795 году 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 самодельную герметичную ёмкость, изготовленную из пушечного ствола, и нагрел её в доменной печи. Холл обнаружил, что в результате получился материал, сильно напоминающий мрамор, а не обычную негашёную известь, образующуюся при нагревании мела на открытом воздухе. Французские геологи впоследствии добавили метасоматизм – циркуляцию флюидов через погребённые породы – в список процессов, способствующих метаморфизму. Однако метаморфизм может происходить и без метасоматизма (изохимический метаморфизм), или на глубинах всего в несколько сотен метров, где давление относительно невелико (например, при контактном метаморфизме). Порода может преобразовываться без плавления, поскольку тепло приводит к разрыву атомных связей, освобождая атомы для перемещения и образования новых связей с другими атомами. Поровая жидкость, присутствующая между минеральными зёрнами, является важной средой для обмена атомами. Это позволяет рекристаллизовать существующие минералы или образовывать новые минералы с различной кристаллической структурой или химическим составом (неокристаллизация). Трансформация превращает минералы в исходной породе (протолите) в более стабильные формы (более близкие к химическому равновесию) при условиях давления и температуры, характерных для метаморфизма. Обычно считается, что метаморфизм начинается при температурах от 0 до 100 °C. Это исключает диагенетические изменения, вызванные компактизацией и литификацией, приводящие к образованию осадочных пород. Верхняя граница метаморфических условий соответствует температуре солидуса породы – температуре, при которой порода начинает плавиться. В этот момент процесс переходит в магматический. Температура солидуса зависит от состава породы, давления и содержания воды. Типичные температуры солидуса варьируются от для влажного гранита при давлении в несколько сотен мегапаскалей (МПа) до примерно для влажного базальта при атмосферном давлении. Мигматиты – это породы, формирующиеся при этой верхней границе, содержащие линзы и жилы материала, который начал плавиться, но ещё не полностью отделился от тугоплавкого остатка. Метаморфический процесс может происходить практически при любом давлении, от давления, близкого к поверхностному (для контактного метаморфизма), до давлений, превышающих 16 кбар (1600 МПа).

Metamorphism is the set of processes by which existing rock is transformed physically or chemically at elevated temperature, without actually melting to any great degree. The importance of heating in the formation of metamorphic rock was first recognized by the pioneering Scottish naturalist, James Hutton, who is often described as the father of modern geology. Hutton wrote in 1795 that some rock beds of the Scottish Highlands had originally been sedimentary rock, but had been transformed by great heat. Hutton also speculated that pressure was important in metamorphism. This hypothesis was tested by his friend, James Hall, who sealed chalk into a makeshift pressure vessel constructed from a cannon barrel and heated it in an iron foundry furnace. Hall found that this produced a material strongly resembling marble, rather than the usual quicklime produced by heating of chalk in the open air. French geologists subsequently added metasomatism, the circulation of fluids through buried rock, to the list of processes that help bring about metamorphism. However, metamorphism can take place without metasomatism (isochemical metamorphism) or at depths of just a few hundred meters where pressures are relatively low (for example, in contact metamorphism). Rock can be transformed without melting because heat causes atomic bonds to break, freeing the atoms to move and form new bonds with other atoms. Pore fluid present between mineral grains is an important medium through which atoms are exchanged. This permits recrystallization of existing minerals or crystallization of new minerals with different crystalline structures or chemical compositions (neocrystallization). The transformation converts the minerals in the protolith into forms that are more stable (closer to chemical equilibrium) under the conditions of pressure and temperature at which metamorphism takes place. Metamorphism is generally regarded to begin at temperatures of This excludes diagenetic changes due to compaction and lithification, which result in the formation of sedimentary rocks. The upper boundary of metamorphic conditions lies at the solidus of the rock, which is the temperature at which the rock begins to melt. At this point, the process becomes an igneous process. The solidus temperature depends on the composition of the rock, the pressure, and whether the rock is saturated with water. Typical solidus temperatures range from for wet granite at a few hundred megapascals (MPa) of pressure to about for wet basalt at atmospheric pressure. Migmatites are rocks formed at this upper limit, which contains pods and veins of material that has started to melt but has not fully segregated from the refractory residue. The metamorphic process can occur at almost any pressure, from near surface pressure (for contact metamorphism) to pressures in excess of 16 kbar (1600 MPa).

Рекристаллизация

Изменение размера зерен и их ориентировки в породе в процессе метаморфизма называется рекристаллизацией. Например, мелкие кристаллы кальцита в осадочных породах известняка и мела превращаются в более крупные кристаллы в метаморфической породе мраморе. В метаморфизированном песчанике рекристаллизация исходных песчинок кварца приводит к образованию очень плотного кварцита, также известного как метакварцит, в котором часто более крупные кристаллы кварца сцеплены друг с другом. Как высокие температуры, так и высокое давление способствуют рекристаллизации. Высокие температуры позволяют атомам и ионам в твердых кристаллах перемещаться, тем самым перестраивая кристаллы, в то время как высокое давление вызывает растворение кристаллов в породе в точках их контакта (растворение под давлением) и повторное осаждение в порах. В процессе рекристаллизации не меняется минеральный состав, изменяется только текстура. Рекристаллизация обычно начинается при достижении температуры выше половины температуры плавления минерала по шкале Кельвина. Растворение под давлением начинается в процессе диагенеза (процесс литификации осадков в осадочные породы), но завершается на ранних стадиях метаморфизма. Для песчаникового протолита граница между диагенезом и метаморфизмом может быть проведена в точке, где деформированные кварцевые зерна начинают замещаться новыми, не деформированными, мелкими кварцевыми зернами, образуя мозаичную текстуру, которую можно идентифицировать в тонких срезах под поляризационным микроскопом. С увеличением степени метаморфизма дальнейшая рекристаллизация приводит к образованию пены, характеризующейся многоугольными зернами, сходящимися в тройных точках, а затем порфиробластической текстуры, характеризующейся крупными, неправильными зернами, включая некоторые более крупные зерна (порфиробласты). Метаморфические породы обычно имеют более крупнозернистую структуру, чем протолит, из которого они образовались. Атомы внутри кристалла окружены стабильным расположением соседних атомов. Этого частично не хватает 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 зерен является распространенным результатом 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.

The change in the grain size and orientation in the rock during the process of metamorphism is called recrystallization. For instance, the small calcite crystals in the sedimentary rocks limestone and chalk change into larger crystals in the metamorphic rock marble. In metamorphosed sandstone, recrystallization of the original quartz sand grains results in very compact quartzite, also known as metaquartzite, in which the often larger quartz crystals are interlocked. Both high temperatures and pressures contribute to recrystallization. High temperatures allow the atoms and ions in solid crystals to migrate, thus reorganizing the crystals, while high pressures cause solution of the crystals within the rock at their points of contact (pressure solution) and redeposition in pore space. During recrystallization, the identity of the mineral does not change, only its texture. Recrystallization generally begins when temperatures reach above half the melting point of the mineral on the Kelvin scale. Pressure solution begins during diagenesis (the process of lithification of sediments into sedimentary rock) but is completed during early stages of metamorphism. For a sandstone protolith, the dividing line between diagenesis and metamorphism can be placed at the point where strained quartz grains begin to be replaced by new, unstrained, small quartz grains, producing a mortar texture that can be identified in thin sections under a polarizing microscope. With increasing grade of metamorphism, further recrystallization produces foam texture, characterized by polygonal grains meeting at triple junctions, and then porphyroblastic texture, characterized by coarse, irregular grains, including some larger grains (porphyroblasts.) Metamorphic rocks are typically more coarsely crystalline than the protolith from which they formed. Atoms in the interior of a crystal are surrounded by a stable arrangement of neighboring atoms. This is partially missing at the surface of the crystal, producing a surface energy that makes the surface thermodynamically unstable. Recrystallization to coarser crystals reduces the surface area and so minimizes the surface energy. Although grain coarsening is a common result of metamorphism, rock that is intensely deformed may eliminate strain energy by recrystallizing as a fine grained rock called mylonite. Certain kinds of rock, such as those rich in quartz, carbonate minerals, or olivine, are particularly prone to form mylonites, while feldspar and garnet are resistant to mylonitization.

Смена фазы

Метаморфизм с изменением фазы – это образование нового минерала с той же химической формулой, что и минерал исходной породы. Это включает в себя перестройку атомов в кристаллической структуре. Примером служат минералы алюмосиликатов – кианит, андалузит и силлиманит. Все три имеют одинаковый состав – Al2SiO5. Кианит стабилен в поверхностных условиях. Однако при атмосферном давлении кианит преобразуется в андалузит при температуре около [укажите температуру из контекста]. Андалузит, в свою очередь, преобразуется в силлиманит при достижении температуры около [укажите температуру из контекста]. При давлениях выше примерно 4 кбар (400 МПа) кианит напрямую преобразуется в силлиманит с повышением температуры. Аналогичное изменение фазы иногда наблюдается между кальцитом и арагонитом, где кальцит преобразуется в арагонит при повышенном давлении и относительно низкой температуре.

Пластическая деформация

При пластической деформации на протолит оказывается давление, которое вызывает его сдвиг или изгиб, но не разрушение. Для этого необходимо, чтобы температура была достаточно высокой, чтобы не возникали хрупкие разрушения, но не настолько высокой, чтобы происходила диффузия кристаллов. Как и в случае с давлением растворения, ранние стадии пластической деформации начинаются в процессе диагенеза.

Региональные

Региональный метаморфизм – это обобщающий термин для метаморфизма, воздействующего на обширные регионы земной коры. Чаще всего он относится к динамотермальному метаморфизму, происходящему в орогенных поясах (областях горообразования), но также включает в себя метаморфизм погребения, возникающий в результате погружения горных пород на значительную глубину под земной поверхностью в прогибающих бассейнах.

Динамотермальные

Для многих геологов региональный метаморфизм практически является синонимом динамико-теплового метаморфизма. Эта форма метаморфизма происходит на сходящихся границах плит, где сталкиваются две континентальные плиты или континентальная плита и островная дуга. Зона столкновения становится поясом горообразования, называемым орогеном. Для орогенного пояса характерно утолщение земной коры, в ходе которого глубоко залегающие породы коры подвергаются высоким температурам и давлениям и интенсивно деформируются. Последующая эрозия гор обнажает корни орогенного пояса в виде обширных выходов метаморфических пород, характерных для горных цепей. Метаморфические породы, образовавшиеся в этих условиях, как правило, демонстрируют хорошо развитую слоистость. Слоистость развивается, когда порода сжимается вдоль одной оси в процессе метаморфизма. Это приводит к тому, что кристаллы пластинчатых минералов, таких как слюда и хлорит, вращаются таким образом, что их короткие оси оказываются параллельны направлению сжатия. В результате образуется полосчатая, или слоистая, порода, в которой полосы отражают цвета минералов, из которых она образована. В слоистых породах часто развиваются плоскости спайности. Сланцевидный камень является примером слоистой метаморфической породы, образованной из глинистого сланца, и обычно демонстрирует хорошо развитую спайность, позволяющую раскалывать сланцевидный камень на тонкие пластины. Тип развивающейся слоистости зависит от степени метаморфизма. Например, начиная с глинистого сланца, при повышении температуры развивается следующая последовательность: глинистый сланец сначала превращается в сланцевидный камень, который является очень мелкозернистой, слоистой метаморфической породой, характерной для метаморфизма очень низкой степени. Сланцевидный камень, в свою очередь, превращается в филлит, который имеет мелкозернистую структуру 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 крупно- или очень крупнозернистую структуру. Породы, подвергавшиеся равномерному давлению со всех сторон, или те, которые не содержат минералов с характерными формами кристаллов, не будут слоистыми. Мрамор не содержит пластинчатых минералов и обычно не является слоистым, что позволяет использовать его в качестве материала для скульптуры и архитектуры. Коллизионным орогенам предшествует субдукция океанической коры. Условия внутри субдуцирующей плиты по мере ее погружения в мантию в зоне субдукции создают свои собственные характерные региональные метаморфические эффекты, характеризующиеся парными метаморфическими поясами. Пионерская работа Джорджа Барроу по региональному метаморфизму в Шотландском нагорье показала, что некоторые региональные метаморфизмы создают четко определенные, отображаемые на карте зоны возрастающей степени метаморфизма. Этот барровианский метаморфизм является наиболее признанным метаморфическим серисом в мире. Однако барровианский метаморфизм специфичен для пелитовых пород, образованных из глинистого сланца или алеврита, и он не является уникальным даже для пелитовых пород. Другая последовательность на северо-востоке Шотландии определяет метаморфизм Бухана, который происходил при более низком давлении, чем барровианский.

To many geologists, regional metamorphism is practically synonymous with dynamothermal metamorphism. This form of metamorphism takes place at convergent plate boundaries, where two continental plates or a continental plate and an island arc collide. The collision zone becomes a belt of mountain formation called an orogeny. The orogenic belt is characterized by thickening of the Earth's crust, during which the deeply buried crustal rock is subjected to high temperatures and pressures and is intensely deformed. Subsequent erosion of the mountains exposes the roots of the orogenic belt as extensive outcrops of metamorphic rock, characteristic of mountain chains. Metamorphic rock formed in these settings tends to shown well developed foliation. Foliation develops when a rock is being shortened along one axis during metamorphism. This causes crystals of platy minerals, such as mica and chlorite, to become rotated such that their short axes are parallel to the direction of shortening. This results in a banded, or foliated, rock, with the bands showing the colors of the minerals that formed them. Foliated rock often develops planes of cleavage. Slate is an example of a foliated metamorphic rock, originating from shale, and it typically shows well developed cleavage that allows slate to be split into thin plates. The type of foliation that develops depends on the metamorphic grade. For instance, starting with a mudstone, the following sequence develops with increasing temperature: The mudstone is first converted to slate, which is a very fine grained, foliated metamorphic rock, characteristic of very low grade metamorphism. Slate in turn is converted to phyllite, which is fine grained and found in areas of low grade metamorphism. Schist is medium to coarse grained and found in areas of medium grade metamorphism. High grade metamorphism transforms the rock to gneiss, which is coarse to very coarse grained. Rocks that were subjected to uniform pressure from all sides, or those that lack minerals with distinctive growth habits, will not be foliated. Marble lacks platy minerals and is generally not foliated, which allows its use as a material for sculpture and architecture. Collisional orogenies are preceded by subduction of oceanic crust. The conditions within the subducting slab as it plunges toward the mantle in a subduction zone produce their own distinctive regional metamorphic effects, characterized by paired metamorphic belts. The pioneering work of George Barrow on regional metamorphism in the Scottish Highlands showed that some regional metamorphism produces well defined, mappable zones of increasing metamorphic grade. This Barrovian metamorphism is the most recognized metamorphic series in the world. However, Barrovian metamorphism is specific to pelitic rock, formed from mudstone or siltstone, and it is not unique even in pelitic rock. A different sequence in the northeast of Scotland defines Buchan metamorphism, which took place at lower pressure than the Barrovian.

Похороны

Метаморфизм погребения происходит просто в результате углубления пород на значительную глубину под поверхностью Земли в оседающей впадине. Там породы подвергаются высоким температурам и огромному давлению, вызванному весом вышележащих слоев горных пород. Метаморфизм погребения обычно приводит к образованию метаморфических пород низкой степени метаморфизма. В них отсутствуют признаки деформации и складчатости, характерные для динамико-термического метаморфизма. Примеры метаморфических пород, образовавшихся в результате метаморфизма погребения, включают некоторые породы системы рифтов Среднего континента Северной Америки, такие как кварцит Сиу, и породы бассейна Хамерсли в Австралии.

Контактная информация

Контактный метаморфизм обычно происходит вокруг интрузивных магматических пород в результате повышения температуры, вызванного внедрением магмы в более холодные вмещающие породы. Область, окружающая интрузию, где проявляются эффекты контактного метаморфизма, называется метаморфической ауреолой, контактной ауреолой или просто ауреолой. Контактные метаморфические породы обычно известны как горнфелы. Породы, образованные в результате контактного метаморфизма, как правило, не демонстрируют признаков сильной деформации и часто имеют мелкозернистую структуру и отличаются высокой прочностью. Мрамор Юль, использованный для внешней отделки Мемориала Линкольна и Могилы Неизвестного Солдата на Арлингтонском национальном кладбище, образовался в результате контактного метаморфизма. Интенсивность контактного метаморфизма максимальна вблизи интрузии и ослабевает по мере удаления от контакта. Размер ауреолы зависит от теплоты интрузии, её размеров и разницы температур с вмещающими породами. Дайки обычно имеют небольшие ауреолы с минимальным метаморфизмом, простирающиеся не более чем на одно-два толщины дайки в окружающую породу, в то время как ауреолы вокруг батолитов могут достигать нескольких километров в ширину. Метаморфическая степень ауреолы определяется пиковым метаморфическим минералом, образующимся в ауреоле. Это обычно связано с метаморфическими температурами пелитовых или алюмосиликатных пород и минералов, которые они образуют. Метаморфические фации ауреол на небольшой глубине, в порядке возрастания температуры образования, следующие: альбито-эпидотовый горнфелс, горнблендовый горнфелс, пироксеновый горнфелс и силлиманитовый горнфелс. Однако альбито-эпидотовый горнфелс часто не образуется, несмотря на то, что это фация с самой низкой температурой. Магматические флюиды, поступающие из интрузивной породы, также могут участвовать в метаморфических реакциях. Значительное добавление магматических флюидов может существенно изменить химический состав измененных пород. В этом случае метаморфизм переходит в метасоматизм. Если внедгаемая порода богата карбонатом, результатом является скарн. Фторсодержащие магматические воды, выделяющиеся при остывании гранита, часто образуют грейзены внутри и вблизи контакта с гранитом. Метасоматически измененные ауреолы могут локализовать отложение минералов металлической руды и, следовательно, представляют экономический интерес. Фенитизация, или Na-метасоматизм, является характерной формой контактного метаморфизма, сопровождающейся метасоматизмом. Она происходит вокруг интрузий редкого типа магмы, называемой карбонатитом, который сильно обогащен карбонатами и беден кремнезёмом. Остывающие тела карбонатитной магмы выделяют высокощелочные флюиды, богатые натрием, по мере затвердевания, и горячая, реакционноспособная жидкость заменяет большую часть минерального состава в ауреоле на минералы, богатые натрием. Особый тип контактного метаморфизма, связанный с пожарами ископаемого топлива, известен как пирометаморфизм.

Contact metamorphism occurs typically around intrusive igneous rocks as a result of the temperature increase caused by the intrusion of magma into cooler country rock. The area surrounding the intrusion where the contact metamorphism effects are present is called the metamorphic aureole, the contact aureole, or simply the aureole. Contact metamorphic rocks are usually known as hornfels. Rocks formed by contact metamorphism may not present signs of strong deformation and are often fine grained and extremely tough. The Yule Marble used on the Lincoln Memorial exterior and the Tomb of the Unknown Soldier in Arlington National Cemetery was formed by contact metamorphism. Contact metamorphism is greater adjacent to the intrusion and dissipates with distance from the contact. The size of the aureole depends on the heat of the intrusion, its size, and the temperature difference with the wall rocks. Dikes generally have small aureoles with minimal metamorphism, extending not more than one or two dike thicknesses into the surrounding rock, whereas the aureoles around batholiths can be up to several kilometers wide. The metamorphic grade of an aureole is measured by the peak metamorphic mineral which forms in the aureole. This is usually related to the metamorphic temperatures of pelitic or aluminosilicate rocks and the minerals they form. The metamorphic grades of aureoles at shallow depth are albite epidote hornfels, hornblende hornfels, pyroxene hornfels, and sillimanite hornfels, in increasing order of temperature of formation. However, the albite epidote hornfels is often not formed, even though it is the lowest temperature grade. Magmatic fluids coming from the intrusive rock may also take part in the metamorphic reactions. An extensive addition of magmatic fluids can significantly modify the chemistry of the affected rocks. In this case the metamorphism grades into metasomatism. If the intruded rock is rich in carbonate the result is a skarn. Fluorine rich magmatic waters which leave a cooling granite may often form greisens within and adjacent to the contact of the granite. Metasomatic altered aureoles can localize the deposition of metallic ore minerals and thus are of economic interest. Fenitization, or Na metasomatism, is a distinctive form of contact metamorphism accompanied by metasomatism. It takes place around intrusions of a rare type of magma called a carbonatite that is highly enriched in carbonates and low in silica. Cooling bodies of carbonatite magma give off highly alkaline fluids rich in sodium as they solidify, and the hot, reactive fluid replaces much of the mineral content in the aureole with sodium rich minerals. A special type of contact metamorphism, associated with fossil fuel fires, is known as pyrometamorphism.

Гидротермальные

Гидротермальный метаморфизм – это результат взаимодействия породы с высокотемпературной жидкостью переменного состава. Различие в составе между исходной породой и внедряющейся жидкостью запускает ряд метаморфических и метасоматических реакций. Гидротермальная жидкость может быть магматического происхождения (образуясь при внедрении магмы), циркулирующими грунтовыми водами или океанической водой. Конвективная циркуляция гидротермальных жидкостей в базальтах океанного дна приводит к обширному гидротермальному метаморфизму вблизи срединно-океанических хребтов и других подводных вулканических областей. В конечном итоге жидкости выходят на поверхность через гидротермальные жерла на дне океана, известные как «чёрные курильщики». Характер этих гидротермальных изменений используется как ориентир при поисках месторождений ценных металлов.

Шок

Шоковый метаморфизм происходит при столкновении внеземного объекта (например, метеорита) с поверхностью Земли. Следовательно, метаморфизм, вызванный ударом, характеризуется ультравысоким давлением и низкой температурой. Образующиеся минералы (такие как полиморфы SiO2 – коэзит и стишовит) и текстуры типичны для таких условий.

Динамическая

Динамический метаморфизм связан с зонами высокого напряжения, такими как зоны разломов. В этих условиях механическая деформация играет более важную роль, чем химические реакции при преобразовании породы. Минералы, присутствующие в породе, часто не отражают условий химического равновесия, и текстуры, формирующиеся при динамическом метаморфизме, более значимы, чем минеральный состав. Существует три механизма деформации, посредством которых порода подвергается механической деформации. Это катаклаз – деформация породы путем разрушения и вращения минеральных зерен; пластическая деформация отдельных минеральных кристаллов; и перемещение отдельных атомов посредством диффузионных процессов. Текстуры динамических метаморфических зон зависят от глубины их образования, поскольку температура и литостатическое давление определяют преобладающие механизмы деформации. На наименьших глубинах зона разлома заполнена различными видами рыхлых катаклистических пород, такими как разломный гулыш или разломная брекчия. На больших глубинах они сменяются сцементированными катаклистическими породами, такими как дробленая брекчия, в которой более крупные фрагменты породы связаны вместе кальцитом или кварцем. На глубинах более 500 метров появляются катаклазиты – довольно твердые породы, состоящие из измельченных фрагментов породы в кремнистой матрице, которая формируется только при повышенных температурах. При еще больших глубинах, где температура превышает 300 °C, преобладает пластическая деформация, и зона разлома состоит из милонита. Милонит характеризуется выраженной слоистостью, отсутствующей в большинстве катаклистических пород. Он отличается от вмещающих пород более мелким размером зерна. Существует множество доказательств того, что катаклазиты формируются как в результате пластической деформации и рекристаллизации, так и хрупкого разрушения зерен, и что порода может не полностью терять когезию в течение этого процесса. Различные минералы становятся пластичными при разных температурах, при этом кварц является одним из первых, приобретающих пластичность, и деформированная порода, состоящая из разных минералов, может одновременно проявлять как пластическую деформацию, так и хрупкое разрушение. Скорость деформации также влияет на то, как деформируются породы. Пластическая деформация более вероятна при низких скоростях деформации (менее 10−14 с−1) в средней и нижней коре, но высокие скорости деформации могут вызывать хрупкое разрушение. При самых высоких скоростях деформации порода может настолько сильно нагреваться, что кратковременно расплавляется, образуя стекловидную породу, называемую псевдотахилитом. Псевдотахилиты, по-видимому, ограничены сухими породами, такими как гранулит.

Dynamic metamorphism is associated with zones of high strain such as fault zones. In these environments, mechanical deformation is more important than chemical reactions in transforming the rock. The minerals present in the rock often do not reflect conditions of chemical equilibrium, and the textures produced by dynamic metamorphism are more significant than the mineral makeup. There are three deformation mechanisms by which rock is mechanically deformed. These are cataclasis, the deformation of rock via the fracture and rotation of mineral grains; plastic deformation of individual mineral crystals; and movement of individual atoms by diffusive processes. The textures of dynamic metamorphic zones are dependent on the depth at which they were formed, as the temperature and confining pressure determine the deformation mechanisms which predominate. At the shallowest depths, a fault zone will be filled with various kinds of unconsolidated cataclastic rock, such as fault gouge or fault breccia. At greater depths, these are replaced by consolidated cataclastic rock, such as crush breccia, in which the larger rock fragments are cemented together by calcite or quartz. At depths greater than about , cataclasites appear; these are quite hard rocks consist of crushed rock fragments in a flinty matrix, which forms only at elevated temperature. At still greater depths, where temperatures exceed , plastic deformation takes over, and the fault zone is composed of mylonite. Mylonite is distinguished by its strong foliation, which is absent in most cataclastic rock. It is distinguished from the surrounding rock by its finer grain size. There is considerable evidence that cataclasites form as much through plastic deformation and recrystallization as brittle fracture of grains, and that the rock may never fully lose cohesion during the process. Different minerals become ductile at different temperatures, with quartz being among the first to become ductile, and sheared rock composed of different minerals may simultaneously show both plastic deformation and brittle fracture. The strain rate also affects the way in which rocks deform. Ductile deformation is more likely at low strain rates (less than 10−14 sec−1) in the middle and lower crust, but high strain rates can cause brittle deformation. At the highest strain rates, the rock may be so strongly heated that it briefly melts, forming a glassy rock called pseudotachylite. Pseudotachylites seem to be restricted to dry rock, such as granulite.

Классификация метаморфных пород

Метаморфические породы классифицируются по их протоолиту, если это можно установить на основании свойств самой породы. Например, если изучение метаморфической породы показывает, что её протоолитом был базальт, она будет описана как метабазальт. Если протоолит не удается определить, порода классифицируется по минеральному составу или степени развития слоистости.

Прогрессивный и ретроградный

Метаморфизм далее подразделяется на прогрессивный и ретроградный метаморфизм. Прогрессивный метаморфизм включает в себя изменение минеральных ассоциаций (парагенезис) при повышении температуры и (обычно) давления. Это реакции дегидратации в твердом состоянии, сопровождающиеся потерей летучих компонентов, таких как вода или углекислый газ. Прогрессивный метаморфизм приводит к образованию пород, отражающих максимальные пережитые давление и температуру. Метаморфические породы обычно не претерпевают дальнейших изменений при выносе на поверхность. Ретроградный метаморфизм включает в себя перестройку породы посредством повторного захвата летучих веществ при понижении температуры (и обычно давления), что позволяет минеральным ассоциациям, сформировавшимся в ходе прогрессивного метаморфизма, вернуться к состояниям, более стабильным при менее экстремальных условиях. Это относительно редкий процесс, поскольку летучие вещества, выделяющиеся в ходе прогрессивного метаморфизма, как правило, покидают породу и не могут вновь соединиться с ней при охлаждении. Локализованный ретроградный метаморфизм может происходить, когда трещины в породе обеспечивают путь для проникновения подземных вод в охлаждающуюся породу.

Нефтяные сети

Петрогенетическая сетка — это геологическая фазовая диаграмма, на которой отображаются экспериментально установленные метаморфические реакции в соответствующих условиях давления и температуры для заданного состава породы. Это позволяет метаморфическим петрологам определять условия давления и температуры, при которых происходят метаморфические изменения в породах. Приведённая диаграмма фаз Al2SiO5 для несосиликатов является очень простой петрогенетической сеткой для пород, состоящих исключительно из алюминия (Al), кремния (Si) и кислорода (O). При изменении температуры и давления порода может переходить в любое из трёх указанных полиморфных минеральных состояний. Для породы, содержащей несколько фаз, можно отобразить границы множества фазовых переходов, однако петрогенетическая сетка быстро становится сложной. Например, петрогенетическая сетка может одновременно показывать фазовые переходы алюминиевого силиката и переход от алюминиевого силиката в сочетании с калиевым полевым шпатом к мусковиту и кварцу.

Диаграммы совместимости

В то время как петрогенетическая сетка отображает фазы для заданного состава в диапазоне температур и давлений, диаграмма совместимости показывает, как минеральный состав меняется в зависимости от состава при фиксированной температуре и давлении. Диаграммы совместимости – отличный инструмент для анализа влияния изменений в составе породы на минеральный парагенезис, формирующийся в породе при определенных условиях давления и температуры. Ввиду сложности отображения более трех компонентов (например, в виде тройной диаграммы), как правило, на диаграмме изображают только три наиболее важных компонента, хотя иногда диаграмму совместимости для четырех компонентов представляют в виде проекции тетраэдра.