Мигматиты: Смесь метаморфических и магматических пород.

Введение

Смесь метаморфических и магматических пород

Мигматит – это комплексная порода, образующаяся в условиях метаморфизма средней и высокой степени, обычно в докембрийских кратонных блоках. Она состоит из двух или более компонентов, часто повторяющихся слоями: один слой – это более древняя метаморфическая порода, впоследствии переработанная частичным плавлением ("неосома"), а чередующийся слой имеет пегматитовый, аплитовый, гранитный или в целом плутонический вид ("палеосома"). Мигматиты обычно встречаются под деформированными метаморфическими породами, представляющими собой основание разрушенных горных цепей. Мигматиты формируются при экстремальных температурах и давлениях в процессе прогрессивного метаморфизма, когда в метаморфической палеосоме происходит частичное плавление. Компоненты, выделяющиеся в результате частичного плавления, называются неосомами (означает "новое тело") и могут быть как однородными, так и неоднородными в микроскопическом и макроскопическом масштабах. Мигматиты часто проявляются в виде плотно и хаотично скрученных жил (птигматических складок). Эти жилы формируют сегрегации лейкосомы – светлоокрашенных гранитных компонентов, выделенных в меланосоме – темноокрашенной среде, богатой амфиболами и биотитом. При наличии мезосома, промежуточная по цвету между лейкосомой и меланосомой, представляет собой более или менее нетронутый остаток исходной метаморфической породы – палеосомы. Светлые компоненты часто выглядят расплавленными и подвижными.

Диагенез - последовательность метаморфизма

Мигматит является предпоследним членом последовательности литологических преобразований, впервые установленной Лайелем в 1837 году. Лайель четко представлял себе последовательность регионального диагенеза в осадочных породах, которая сохраняет свою актуальность и сегодня. Она начинается с отложения рыхлых отложений (протолитов для будущих метаморфических пород). С увеличением температуры и давления на глубине протолит проходит через диагенетическую последовательность – от пористых осадочных пород, через уплотненные породы и филлиты 'A2', до метаморфических сланцев 'C1', в которых еще можно различить изначальные осадочные компоненты. На еще большей глубине сланцы перекристаллизуются в гнейс 'C2', в котором слои остаточных минералов чередуются с кварц-полевошпатовыми слоями; частичное плавление продолжается, при этом небольшие порции лейкосомы объединяются, образуя отчетливые слои в неосоме, и становятся узнаваемым мигматитом 'D1'. Образующиеся лейкосомные слои в строматических мигматитах все еще содержат воду и газ в разрывной серии реакций, исходящей от палеосомы. Такое сверхкритическое содержание H2O и CO2 делает лейкосому исключительно подвижной. Боуэн (1922, с. 184) описал этот процесс как обусловленный «частично реакциями между уже кристаллизованными минеральными компонентами породы и оставшейся расплавленной магмой, а частично реакциями, вызванными перестройкой равновесия в конечной, высококонцентрированной "материнской жидкости", которая в результате селективного кристаллизации обогатилась более летучими газами, обычно называемыми "минерализаторами", среди которых вода играет важную роль». Й. Й. Седерхольм (1926) описал породы этого типа, несомненно смешанного происхождения, как мигматиты. Он охарактеризовал гранитизирующие "ихоры" как обладающие свойствами, промежуточными между водным раствором и сильно разбавленной магмой, причем значительная их часть находится в газообразном состоянии.

Частичное плавление, анатексис и роль воды

Роль частичного плавления подтверждается экспериментальными и полевыми данными. Горные породы начинают частично плавиться при достижении сочетания достаточно высоких температур (> 650 °C) и давлений (> 34 МПа). Некоторые породы имеют составы, которые при определенной температуре образуют больше расплава, чем другие; это свойство породы называется фертильностью. Отдельные минералы в последовательности плавления образуют больше расплава, чем другие; некоторые не плавятся до достижения более высокой температуры. Сегрегация расплава в проградной части метаморфической истории (температура > солидус) подразумевает отделение расплавной фракции от остатка, который, благодаря большей удельной плотности, накапливается на более низком уровне. Последующая миграция анатектического расплава происходит вниз по локальным градиентам давления с незначительной или отсутствующей кристаллизацией. Сеть каналов, по которым перемещался расплав на этой стадии, может быть разрушена сжатием меланосомы, оставляя изолированные линзы лейкосомы. Продукт плавления собирается в нижележащем канале, где подвергается дифференциации. Теплопроводность является основным механизмом передачи тепла в континентальной коре; там, где поверхностные слои были эксгумированы или быстро погребены, наблюдается соответствующее изменение геотермического градиента. Охлаждение, вызванное воздействием поверхности, происходит очень медленно в более глубоких породах, поэтому более глубокая кора медленно нагревается и медленно охлаждается. Численное моделирование нагрева коры подтверждает медленное охлаждение в глубоких слоях. Следовательно, после образования анатектический расплав может существовать в средней и нижней коре в течение очень длительного времени. Он сжимается в боковом направлении, образуя силлы, лакколиты и лополиты подвижного гранулита на глубинах около 10–20 км. В настоящее время на поверхности видны лишь стадии этого процесса, зафиксированные во время его первоначального быстрого поднятия. В любом месте, где образовавшийся фракционированный гранулит резко поднимается в коре, вода выходит из сверхкритического состояния, гранулит начинает кристаллизоваться, превращаясь сначала во фракционированный расплав + кристаллы, а затем в твердую породу, при сохранении условий температуры и давления, существующих на глубине более 8 км. Вода, углекислый газ, диоксид серы и другие элементы выделяются под высоким давлением из расплава при выходе из сверхкритических условий. Эти компоненты быстро поднимаются к поверхности и способствуют образованию минеральных месторождений, вулканов, грязевых вулканов, гейзеров и горячих источников.

The role of partial melting is demanded by experimental and field evidence. Rocks begin to partially melt when they reach a combination of sufficiently high temperatures (> 650 °C) and pressures (>34MPa). Some rocks have compositions that produce more melt than others at a given temperature, a rock property called fertility. Some minerals in a sequence will make more melt than others; some do not melt until a higher temperature is reached. The segregation of melt during the prograde part of the metamorphic history (temperature > solidus) involves separating the melt fraction from the residuum, which higher specific gravity causes to accumulate at a lower level. The subsequent migration of anatectic melt flows down local pressure gradients with little or no crystallization. The network of channels through which the melt moved at this stage may be lost by compression of the melanosome, leaving isolated lenses of leucosome. The melt product gathers in an underlying channel where it becomes subject to differentiation. Conduction is the principal mechanism of heat transfer in the continental crust; where shallow layers have been exhumed or buried rapidly there is a corresponding inflection in the geothermal gradient. Cooling due to surface exposure is conducted very slowly to deeper rocks so the deeper crust is slow to heat up and slow to cool. Numerical models of crustal heating confirm slow cooling in the deep crust. Therefore, once formed, anatectic melt can exist in the middle and lower crust for a very long period of time. It is squeezed laterally to form sills, laccolithic and lopolithic structures of mobile granulite at depths of c. 10–20 km. In outcrop today only stages of this process arrested during its initial rapid uplift are visible. Wherever the resulting fractionated granulite rises steeply in the crust, water exits from its supercriticality phase, the granulite starts to crystallize, becomes firstly fractionated melt + crystals, then solid rock, whilst still at the conditions of temperature and pressure existing beyond 8 km. Water, carbon dioxide, sulphur dioxide and other elements are exsolved under great pressure from the melt as it exits from supercritical conditions. These components rise rapidly towards the surface and contribute to formation of mineral deposits, volcanoes, mud volcanoes, geysers and hot springs.

Агматит

Первоначальное название этого явления было дано Седерхольмом (1923), который определил его как породу с "фрагментами более древних пород, сцементированными гранитом", и рассматривал её как разновидность мигматита. Существует тесная связь между мигматитами и образованием "взрывных брекчий" в сланцах и филлитах, расположенных вблизи диоритовых и гранитных интрузий. Породы, соответствующие этому описанию, также встречаются вокруг магматических интрузивных тел в породах низкого метаморфизма или неметаморфизированных породах. Браун (1973) утверждал, что агматиты не являются мигматитами и должны называться «интрузионными брекчиями» или «вентовыми агломератами». Рейнольдс (1951) полагал, что термин «агматит» следует исключить из употребления.

Мигматитные плавления обеспечивают плавучесть для осадочной изостазии

Недавние геохронологические исследования гранулитных фаций метаморфических терранов (например, Willigers et al. 2001) показывают, что метаморфические температуры оставались выше температуры солидуса гранита в течение 30–50 млн лет. Это указывает на то, что образовавшийся анатектический расплав может существовать в средней и нижней коре в течение очень продолжительного времени. Образовавшийся гранулит свободно перемещается латерально и вверх по зонам ослабления в вышележащих породах в направлениях, определяемых градиентом давления. В областях, где он залегает под углубляющимся осадочным бассейном, часть расплава гранулита будет стремиться перемещаться латерально под основанием ранее метаморфизированных пород, которые еще не достигли мигматической стадии анатексиса. Он будет концентрироваться в областях с более низким давлением. Расплав теряет летучие компоненты, достигая уровня, где температура и давление ниже границы сверхкритической водной фазы. На этом уровне происходит кристаллизация расплава, препятствующая подъему последующих порций расплава, пока устойчивое давление магмы не поднимет вышележащие породы.

Другие гипотезы мигматита

Для мигматизированных аргиллитовых пород частичное или фракционное плавление первоначально образует богатый частичный расплав гранитного состава, обогащенный летучими и несовместимыми элементами. Такие граниты, образованные из осадочных пород-протолитов, называются гранитами типа S, обычно калийные, иногда содержат леуцит и классифицируются как адамеллиты, граниты и сиениты. Вулканическими эквивалентами являются риолит и риодацит. Мигматизированные магматические или породы нижней коры, подвергающиеся плавлению, образуют аналогичный гранитный расплав типа I, но с отчетливыми геохимическими характеристиками и, как правило, с преобладающей минералогией плагиоклаза, формируя составы монзонита, тоналита и гранодиорита. Вулканическими эквивалентами являются дацит и трахит. Расплавить мафические метаморфические породы сложно, за исключением нижней мантии, поэтому мигматитные текстуры в таких породах встречаются редко. Однако, эклогит и гранулит являются приблизительно эквивалентными мафическими породами.

Этимология

Финский петролог Якоб Седерхольм впервые использовал этот термин в 1907 году для описания пород в Скандинавском кратоне на юге Финляндии. Термин происходит от греческого слова μιγμα (мигма), означающего «смесь».