Метаморфические горные породы. Виды метаморфизма. Примеры свойства и применение пород

1. Метаморфические горные породы. Виды метаморфизма. Примеры свойства и применение пород
Метаморфизм - это совокупность физико-химических изменений горных пород в результате воздействия глубинных флюидов, давления и температуры, приводящих к структурному преобразованию горных пород
Вид метаморфизма, состоящий в привносе либо выносе вещества
из породы и замещении исходных минералов другими, называется метасоматоз. Метаморфизм, при котором исходная порода плавится хотя бы частично,называется ультраметаморфизм.
Процесс метаморфизма горных пород протекает в результате влияния трёх основных факторов: высокой температуры, давления и содержания ряда химических веществ в породах. Исходя из того, какой фактор имел ведущее значение, существуют следующие виды метаморфизма:
Региональный метаморфизм, проявляющийся на больших по площади
пространствах и протекающий на большой глубине в результате воздействия внутреннего тепла Земли. Протекает как праавило на больших площадях в орогенных поясах, из-за чего зачастую называтся также орогенным метаморфизмом.
В процессе регионального метаморфизма погружение горных пород в тектонически активных зонах, имеющих повышенный тепловой поток приводит к таким условиям, при которых в них нарушается физико-химическое равновесие и происходит минерально-структурная перестройка. В случае резкого повышения температуры региональный метаморфизм переходит в ультраметаморфизм, для которого характерно появление расплавов.
Региональный метаморфизм является наиболее распространённым, и самым важным. Основным его фактором является температура, которую определяет геотермическая ступень: в среднем она примерно равна 30 м, но в может резко меняться в различных тектонических областях:
- новейший вулканизм – 5-20 м/0С;
- кайнозойская складчатость – 20-30 м;
- платформы – 30-80 м;
- кристаллические щиты - >100 м/0С.
Процессы ультраметаморфизма (плавления горных пород) активизируются при t0С около 500 и выше, откуда следует, что в областях кайнозойской складчатости процессы ультраметаморфизма могут начинаться на глубине около 10 км, а на кристаллических щитах – от 50 и более км. При этом стоит отметить, что радиогенное тепло, являющееся основным источником высоких температуро в прошлые геологические эпохи могло быть значительно больше. По имеющимся данным 3 млрд. лет назад данного тепла было больше в 2 раза, а 5 млрд.лет назад в 7 раз больше, по сравнению с нашим временем.
При увеличении температуры химические реакции протекают быстрей, возрастает изоморфная смесимость минералов, происходит расшатывание кристаллических решёток, что приводит к перекристаллизации, и в результате расплавлению пород и минералов.
При увеличении температуры происходит разложение многих природных соединений, в которых содержатся Н2О, СО2, Сl, B и др., с разделением газообразной и твердых фаз.
Для классификации метаморфических явлений как правило используется именно t0C:
- низшая стадия – фации зеленых сланцев – начало процесса при t0 около 2000С.
- наивысшие стадии – фации гранулитов – около 7000С.
Данные температурные границы являются условными, ввиду того что давление может приводить к их существеным сдвигам. Играет роль и наличие воды: при её присутствии температуры ниже, при отсутствии либо малом количестве выше.
Давление возрастает с увеличением глубины около 250-300 атм на 1 км. Существуют одностороннее и всестороннее (гидростатическое) давления. Все сланцеватые, ленточные (параллельные) структуры образуются в результате одностороннего давления (сверху вниз). Гидростатическое давление приводит к значительно более резкому уменьшению объёма, приводя образованию минералов, имеющих большой удельный вес.
Особо сильно значение давления проявляется в процессе фазовых превращений, например, при отделении газовой фазы от жидкой или твердой. В таких случаях наблюдается весьма специфическая особенность: повышение температуры активизирует отделение воды и летучих компонентов от горных пород, а давление наоборот препятствует данному процессу. Как результат, при высоких температуре и давлении вода может находится в особом надкристаллическом состоянии, когда она обладает свойствами сильно сжатого газа, имеющего способнсть растворять и переносить большое количество самых разных химических соединений.
Прогрессивный метаморфизм характеризуется процессами дегидратации и декарбонатизации, причиной чему является именно уход Н2О и углекислого газа при повышении температуры. Происхождение воды бывает магматическим, метеорным и метаморфогенным. Ранее считалось, что абсолютное большинство воды магматического происхождения. В процессах контактового метаморфизма и автометаморфизма это так, однако в случае регионального метаморфизма всё гораздо сложней. Неясен, например, вопрос, является ли первичной магма. Существует вероятность того, что она является результатом процессов ультраметаморфизма. По мнению В.И. Вернадского гранитная оболочка Земли – это былые биосферы, т.е. переработанные осадки.
Метеорные (поверхностные) воды, разумеется, могут по трещинам и порам попадать в метаморфизованные породы, но вряд ли на большие глубины, на которых и протекают основные процессы регионального метаморфизма. Метаморфогенная вода – вода пористых пород. В иловых осадках её содержание составляет 20-30%, а в глинах после литификации 5-7%, в метаморфических сланцах – около 2%. По расчётам удаление лишь только 1% из 1 км3 осадочной породы приводит к образованию около 2,5∙107 т растворов. Объёмы воды огромны, огромны , так же как и объёмы растворённых в ней соединений.
Метаморфическими фациями называются ассоциации минералов, образовавшиеся в определенных условиях. Нахождение данных ассоциаций позволяет классифицировать эти условия (фации).
Существует большое количество классификаций метаморфических фаций. Ниже приведена одна из самых простых классификаций (по Груберманну и НИГГЛИ):
ЭПИЗОНА – характеризуется низкими температурой и давленим. Минералы: главным образом водные силикаты: эпидот, хлорит, карбонаты, тальк, альбит;
МЕЗОЗОНА – зона высоких температур и давления. Минералы: биотит, мусковит, амфибол, плагиоклаз и др.
КАТАЗОНА – зона очень высоких температур и давления. Минералы: андулузит, полевые шпаты, пироп, шпинель, пироксен и др.
Самой распространённой считается схема Эскола, которую дополненили российские ученые Коржинский, Судовников, Елисеев. В её основе лежит идея простого набора минералов – 2-3, редко 3-4 (минералов большое количество и перебор лишь только характерных весьма сложен).
Схема выглядит так (перечень фаций сверху вниз):
1. Зеленые сланцы;
2. Эпидот – амфиболит;
3. Амфиболит (амфибол+плагиоклаз; Амфибол – двоякий, силикат);
4. Гранулитовая (полевые шпаты, кварц, примесь граната);
5. Эклогитовая (выбор, сортировка, эклёгит) (гранат+пироксен)
6. Глаукофановые сланцы (натрово-глиноземные, амфибол, примесь – эклогит).
Эту схему нельзя считать идеальной, но она даёт возможность выстраивать ряд фаций по мере роста температуры и давления.
Типичные метаморфические горные породы:
Гнейсы. Образовались из гранитов, с которыми они сходны по минералогическому составу, и отличаются от них сланцеватым сложением, благодаря которому их характеризует очень высокая прочностью при сжатии в направлении, перпендикулярном слоям сланцевых отложений, однако они легко раскалываются вдоль этих слоев. Гнейсы применяются для изготовления щебня, брусчатки, различных плит и т.д. Специфическая структура (слоистость) гнейсов снижает физико-механические свойства щебня из этой породы.
Мрамор. Состоит из сросшихся кристаллов кальцита, имеют примесь магнезита и других минералов. Образуется, как правило, из известняков, может иметь белый, розовый, красный, коричневый и чёрный цвет. Обладает красивой структурой при шлифовке и обработке поверхности, легко поддается механической обработке и хорошо полируется. Применяется в основном как декоративный облицовочный материал, иногда как щебень или мраморная крошка.
Сланцы, Их основной характеристикой является параллельное расположение составляющих частиц, т.е. слоистость, сланцеватость. В основном состоят из кварца и слюды, графита, глинистых пород. Самыми распространенными являются глинистые сланцы, обладающие высокой твёрдостью в направлении, перпендикулярном