Основы геологии. Учебное пособие. Плякин А.М.. Основы геологии
 Скачать 7.69 Mb.
|
|
Рис. 29. Сернистые сольфатары (белое) на склоне вулкана им. Д.И.Менделеева. Фото автора 116 слого газа, азота, сернистого газа, водорода, хлора и других газов. Они могут быть сухими с температурой 500 0 С, состоящими из NaCl, KCl, FeCl 2 ; кислыми с температурой 300-400 0 С (водяные пары, сернистый ангидрит, HCl); щелочными с температурой 180 0 С, состоящими из хлористого аммония. Сольфатары состоят из водяных паров и H 2 S и имеют температуру 100 0 С. Мофеты состоят из углекислого газа и водяных паров. Температура мо- фет приближается к 100 0 С, но, как правило, бывает значительно ниже. Распола- гаются они вблизи действующих вулканов или в области уже потухших (уснувших) вулканов. Впадины, в которых располагаются мофеты, называют долинами смерти, так как попадающие в них животные задыхаются от выде- ляющихся газов. 3.2. МЕТАМОРФИЗМ Метаморфизм является мощным эндогенным геологическим процессом, который в значительной мере изменяет облик нашей планеты, изменяя все ра- нее образованные горные породы с использованием внутренней энергии Земли и являясь важнейшей составной частью круговорота вещества планеты. 3.2.1. Общие понятия о метаморфизме Метаморфизм – это преобразование горных пород любого состава и происхождения под действием эндогенных геологических процессов, вызы- вающих изменение физико-химических условий в земной коре. Метаморфизм в природных процессах сменяет собой прогрессивный катагенез и также вызыва- ется физико-химическим и термодинамическим неравновесным состоянием горной породы относительно тех условий, в которых оказывается эта порода в процессе геологического развития земной коры при её погружении. Метамор- физму могут подвергаться осадочные, магматические и ранее образованные ме- таморфические горные породы, и притом неоднократно, при каждом новом несоответствии состава и внутреннего строения горной породы тем конкрет- ным геологическим условиям, в которые эта горная порода перемещается про- цессами развития планеты. Особенностью процессов метаморфизма является то, что они происхо- дят в твёрдом состоянии вещества, без расплавления горных пород и всегда связаны с тектоническими движениями: складчатостью, глубинными разло- 117 мами, подъёмом магмы. Метаморфизм может быть изохимическим или мета- соматическим. Изохимический метаморфизм характеризуется тем, что при его прохож- дении горная порода изменяет только минеральный состав, не изменяя химиче- ского состава. При этом может изменяться также и сложение горной породы, её внутреннее строение, за счёт изменения положения минеральных частиц (об- ломков, кристаллов) или изменения их размеров. Такой тип метаморфизма в природе распространён весьма широко. Метасоматический метаморфизм заключается в значительном, иногда абсолютном изменении химического состава горной породы после метамор- физма. Такой процесс коротко называют метасоматозом. Суть его заключается в дополнительном привносе в метаморфизуемую горную породу или выносе из неё некоторых химических элементов, часто весьма существенном. В связи с этим метасоматически изменяемые горные породы мы условно можем назвать «открытой» геохимической системой, в отличие от «закрытой» геохимической системы изохимически изменяемых горных пород. Привнос и вынос химиче- ских элементов может осуществляться в процессах метаморфизма активными подвижными газово-жидкими растворами, образующимися, главным образом, благодаря магматической деятельности. Серьёзные исследования метаморфизма были проведены Ф. Тернером и Дж. Ферхугеном (1961 г.). Эти исследования сопровождались анализом физико- химических особенностей этих процессов и сопровождались экспериментами. Под метаморфизмом они понимали «изменение минерального состава и струк- туры твёрдых горных пород в физико-химических условиях, господствующих в земной коре ниже приповерхностных зон выветривания и цементации и отли- чающихся от условий первоначального образования горных пород». Это не- сколько расширяет, по сравнению с принятыми у нас понятиями, область метаморфических преобразований за счёт включения в эту область зоны ката- генетических (предметаморфических) преобразований. Тем не менее, основными действующими силами процессов метаморфиз- ма являются также температура, давление, химически активные вещества, привнесённые этими процессами, а также состав исходных горных пород, под- вергающихся метаморфическим преобразованиям. Поскольку при метаморфизме происходит значительное изменение не только состава горных пород, но и их внутреннего строения, то есть структуры и текстуры, остановимся на определении этих важных характеристик внутрен- него строения горных пород. 118 Каждая горная порода благодаря особенностям условий своего образова- ния характеризуется некоторыми особенностями внутреннего строения. Поэто- му, изучая структуры и текстуры горных пород, мы можем в определённой степени решить и обратную задачу: по структурно-текстурным признакам гор- ной породы прояснить условия её формирования. Что понимают в геологии под структурой и текстурой горных пород? Прежде всего, это особенности внутреннего строения горной породы. При этом структура определяет комплекс особенностей внутреннего строения горной породы, обусловленного формой и размерами минеральных частиц (зёрен, ми- нералов), слагающих эту горную породу, а также степенью кристалличности и способами сочетания минералов или кристаллов между собой. По типам струк- тур можно определить условия образования горной породы и её принадлеж- ность к тому или иному типу. Например, интрузивные горные породы имеют полнокристаллическую структуру; обломочные горные породы различаются по размерам и формам обломков, образующих эту породу: так, прибрежно- морские отложения чаще всего отличаются грубообломочными структурами. Метаморфические горные породы различаются по степени кристалличности и её равномерности; например, гранобластовая структура обозначает, что в мета- морфической горной породе зёрна более или менее изометричны, а форма зёрен может быть различной; зубчатая структура кварцитов показывает, что образо- вание кварцитов произошло за счёт перекристаллизации кварцевых зёрен пес- чаника с укрупнением первоначальных зёрен и более плотной упаковкой этих зёрен в горной породе. Текстура породы – это комплекс признаков внутреннего строения горной породы, определяемого взаимным расположением минеральных зёрен в ней и ориентировкой этих зёрен или кристаллов. У магматических горных пород тек- стура показывает условия кристаллизации магмы: миндалекаменная текстура ха- рактерна для пористых вулканических горных пород, при этом поры заполнены вторичными минералами, образованными позже самой горной породы (хлори- том, кварцем, халцедоном, кальцитом и др.). В осадочных горных породах мине- ральные зёрна могут быть расположены в виде обособленных образований – например, прослоев песка в глинистом слое – в таком случае текстура будет слоистой; если прослои расположены параллельно друг другу, текстура парал- лельно-слоистая, если они ветвятся – текстура косослоистая и т.д. У метаморфи- ческих горных пород текстуры очень разнообразны, но одной из наиболее распространённых является сланцеватая текстура, показывающая, что горная по- рода образовалась в условиях однонаправленного геостатического давления. 119 Таким образом, структурно-текстурные особенности горных пород очень важно внимательно изучать, так как они несут исключительно важную инфор- мацию об условиях образования или преобразования горных пород. Изучение этих признаков способствует выполнению главной задачи геологических ис- следований – расшифровки истории геологического развития изучаемого уча- стка земной коры. 3.2.2. Главные факторы метаморфизма Остановимся подробнее на характеристике главных действующих сил метаморфических процессов: температуре, давлении и химически активных веществах. Температура является одним из важнейших факторов метаморфизма и проявляется в той или иной степени во всех типах этого процесса. Суть влияния температуры на преобразование горных пород заключается в том, что повыше- ние температуры почти в любом химическом процессе приводит к увеличению скоростей взаимодействия веществ, особенно в твёрдом состоянии, а также ин- тенсифицирует процессы перекристаллизации твёрдых веществ. Температура содействует экзотермическим реакциям, проходящим со значительным погло- щением тепла. Кроме того, она вызывает разложение минералов, содержащих в своём составе воду. Результатом таких реакций становится образование высо- котемпературных минералов, лишённых конституционной воды. При высоких температурах образуются крупнокристаллические минералы – так же, как и при медленной раскристаллизации магматического расплава с постепенным паде- нием температуры. Как уже отмечалось выше, средний расчётный температурный градиент Земли составляет 3 0 С /100 м, поэтому с глубиной температура нарастает, а сле- довательно, с глубиной возрастает интенсивность процессов метаморфизма. Следует помнить, что для каждого конкретного участка земной коры существу- ет свой температурный градиент, зависящий от многих особенностей геологи- ческого строения этого участка и, в первую очередь, от близости магматических очагов и теплопроводности слагающих его горных пород, тек- тонических особенностей и т.д. Метаморфизм происходит при определённом диапазоне температур. Ми- нимальная температура, т.е. начальная, при которой начинаются интен- сивные процессы метаморфизма, составляет 300-400 0 С, а максимальная достигает 900-1000 0 С. Эти пределы находят своё объяснение в следующем: при температурах ниже 300 0 С химическое взаимодействие веществ, особенно в 120 твёрдом состоянии, чрезвычайно затруднено или вообще невозможно, а при температурах выше 1000 0 С большинство минералов при высоких давлениях в недрах Земли расплавляется, и процессы метаморфизма сменяются уже процес- сами магматизма. Самую высокую температуру плавления имеет минерал оли- вин – 1950 0 С. Повышение температуры в недрах Земли может быть связано с глубоким погружением блока пород в области прогибания, в результате внедрения маг- мы, при возрастании скорости теплового потока, связанного, по мнению Ф. Тернера и Дж. Ферхугена (1961), с переносом радиоактивного тепла, конвекци- онным движением, частичным плавлением и дифференциацией вещества ман- тии, а также в некоторой степени за счёт давления и трения при тектонических перемещениях блоков земной коры. Давление играет чрезвычайно важную роль в некоторых типах метамор- фических процессов и приводит к образованию под его действием минералов с более плотной упаковкой атомов. Оно зависит от среднего удельного веса вы- шележащих горных пород и изменяется от 250 до 300 бар на 1 км. Такое давле- ние при метаморфизме может достигать 10000 бар. Давление повышает температуру плавления минералов. В условиях всестороннего давления форми- руются горные породы с однородной массивной текстурой. Кроме геостатического давления, существует ещё и направленное давле- ние, которое ещё называют ориентированным давлением. Оно проявляется при различных тектонических деформациях, например, перемещениях блоков зем- ной коры в разных направлениях. Направлением движений определяется и на- правленность давления – в сторону движения блока. Ориентированное давление, по Ф. Тернеру и Дж Ферхугену (1961), не превышает 2000-3000 атм., что может сказываться при метаморфизме на глубинах до 10 км. Под действием направленного давления происходит изменение структурно-текстурных осо- бенностей горных пород – минералы приобретают закономерную ориентиров- ку, располагаясь длинной осью перпендикулярно направлению давления. При таком, преимущественно однонаправленном давлении, образуются сланцеватые текстуры горных пород, откуда и берёт своё название эта распространённая разновидность метаморфических горных пород – сланцы. Давление водных растворов также играет большую роль в процессах ме- таморфизма. В глубоких зонах метаморфизма все эти три типа давления – раз- грузки, ориентированное и водяное уравновешиваются. Химически активные вещества часто играют решающую роль в метамор- фических процессах. Главными элементами при этом считают углекислоту и во- 121 ду. Вода, являясь образованием земной коры, находится в парообразном состоя- нии и свободно перемещается сквозь толщу горных пород по многочисленным пустотам, трещинам, растворяя некоторые химические элементы и превращаясь в химически активный раствор. Взаимодействие жидкой высокотемпературной и парообразной минерализованной воды с горными породами, через которые она продвигается, и является главной причиной преобразования этих горных пород. Кроме того, достоверно доказана огромная роль в метаморфических преобразо- ваниях горных пород таких химических элементов, как водород, хлор, фтор, бром, азот, сера, бор. Источниками водных растворов, участвующих в процессах метаморфизма, можно считать два главных: первый – магматические расплавы, из которых выделяются в огромных количествах ювенильные воды и, продвига- ясь к поверхности Земли, взаимодействуют с толщей горных пород, производя метаморфизацию этих пород. Вторым источником являются подземные воды любого происхождения, взаимодействующие на глубинах благодаря высокой температуре с горными породами, сквозь которые они проникают. Разница меж- ду первыми и вторыми может заключаться в первично более богатом химиче- скими элементами составе ювенильных вод. Большое значение для метаморфизма имеет состав исходных горных по- род, который зачастую определяет состав получаемых продуктов метаморфизма, например, мраморы образуются из карбонатных горных пород, а кварциты – из песчаников. 3.2.3. Главные типы метаморфизма По геологическим условиям выделяют три главных типа метаморфизма, два из которых можно отнести к локальным проявлениям: контактовый и дис- локационный, а третий – региональный проявляется на очень обширных пло- щадях, и его можно назвать глобальным метаморфизмом, так как он постоянно проявляется в пределах всей планеты. При этом все названные типы метамор- физма являются прогрессивными, то есть такими типами, при которых низко- температурные минеральные ассоциации и минералы замещаются более высокотемпературными. При регрессивном метаморфизме происходят обрат- ные замещения, то есть высокотемпературные минеральные ассоциации заме- щаются низкотемпературными. Такой метаморфизм (регрессивный) называют также диафторезом. Контактовый метаморфизм (рис. 30) тесно связан с внедрением и за- стыванием интрузий и воздействием магмы на горные породы, в которые она 122 внедрилась. Его можно определить так: контактовый метаморфизм проявляется в пределах зон термического и химического воздействия интрузии на вмещаю- щие горные породы. Главными факторами такого типа метаморфизма являются высокая температура и воздействие химически активных веществ как на вме- щающую горную породу, так и на саму интрузию – в зоне экзоконтакта. Явля- ясь высокотемпературным природным расплавом, магма в зоне соприкосновения с горной породой прогревает её, вызывая метаморфические преобразования. Порядок температур при контактовом метаморфизме, как пра- вило, 550-900 0 С, но может снижаться до 300 0 С и повышаться до 1000 0 С, в зави- симости от расстояния между вмещающими породами и магмой. Давление здесь соответствует геостатическому давлению глубины расположения магма- тического очага и составляет от 100 до 3000 бар при глубинах интрузий от 300 до 10000 м. Одновременно с нагреванием вблизи магматического очага вмещающие горные породы, в какой-то мере раздробленные (дезинтегрированные) при вне- дрении магмы, получают от неё значительное количество разных химически активных веществ в жидком и газообразном состоянии. Взаимодействие этих веществ с горными породами приводит, во-первых, к обмену химическими элементами между магмой и вмещающими породами, а во-вторых, к образова- нию новых метаморфических минералов и соответственно – новых, уже мета- морфических горных пород. Активные обменные химические реакции в зоне ближнего контакта магмы с вмещающими горными породами с привносом и Рис 30. Схема зональности контактового метаморфизма: 1 – граниты, 2 – известняки, 3 – дайки аплитов, 4 – гроссуляровые скарны, 5 – андрадитовые скарны 123 выносом некоторых химических элементов изменяют первоначальный химиче- ский состав и вмещающих пород, и магмы. В этом и заключается метасомати- ческий характер метаморфизма, о котором говорилось ранее. Для контактового метаморфизма характерна определённая зональность, ориентированная параллельно зоне контакта (вдоль зоны контакта) магмы с ок- ружающими её горными породами. С удалением от контакта степень метамор- фических преобразований резко снижается. Выделяется несколько условных зон контактового метаморфизма. Наиболее низкотемпературной из них при давлении до 3000 бар является альбит-эпидот-роговиковая зона, которая при повышении температуры до 700 0 С и том же давлении сменяется роговообман- ково-роговиковой. В приповерхностных зонах земной коры при давлении около 1000 бар для температур 600-800 0 С характерна пироксен-роговиковая, а при температурах 800-1000 0 С – санидинитовая фации метаморфизма. Таким преоб- разованиям подвергаются на границе с магмой силикатные горные породы. В случае взаимодействия кислых магм с карбонатными горными породами обра- зуются разнообразные по составу скарны. Дислокационный метаморфизм называют также динамометаморфизмом, динамотермальным или катакластическим. Как и контактовый, этот метамор- физм происходит в локальных зонах, представляющих собой зоны на границе двух или нескольких перемещающихся относительно друг друга блоков земной коры, то есть в зонах тектонических нарушений. В результате этого метамор- физма образуются горные породы, которые называются катаклазитами. Дис- локационный метаморфизм заключается в механическом разрушении горных пород под действием направленного давления. Если величина этого давления превышает прочность горных пород, происходит их разрушение. Так как пере- мещаются огромные блоки земной коры, то на границе их перемещения созда- ётся весьма высокое давление направленного типа с соответствующим повышением температуры. Таким образом, главной действующей силой при этом метаморфизме является направленное давление и, как производная от него – температура. Разрушаемые в процессе движения блоков горные породы одно- временно и цементируются, образуя разные по составу и строению катаклази- ты. Если породы перемещающихся блоков однородны по составу и строению, образуются раздробленные и истёртые до состояния пудры уплотнённые мило- ниты. При разнородных горных породах в тектонических блоках дробление их и сдавливание приводят к образованию плотных пород, состоящих из остро- угольных обломков разных размеров, сцементированных тонко растёртым ма- териалом. Такие горные породы называются тектоническими брекчиями. 124 В процессах динамометаморфизма могут принимать участие и химически активные вещества, появляющиеся из перегретых водяных паров. В случае их присутствия метаморфические изменения могут быть более интенсивными вплоть до метасоматических. Региональный метаморфизм называют также глубинным, чем подчёрки- вается его принципиальная особенность. Оба названия вместе дают полное представление о характере и месте этого типа метаморфизма, а также о его главных действующих силах или факторах. Главными факторами регионального метаморфизма являются высокая температура, высокое геостатическое давление и химически активные вещест- ва. Интенсивность действия всех названных факторов резко возрастает с глуби- ной, что не требует дополнительного объяснения, так как об этом достаточно подробно говорилось в общем описании процессов метаморфизма. Региональный метаморфизм отличается довольно чётко выраженной зо- нальностью, но зональностью, в отличие от контактового метаморфизма, глу- бинной и более масштабной. Суть зональности регионального метаморфизма заключается в образовании минералов и их ассоциаций при определённых диа- пазонах температур и давлений, которые в этом случае почти напрямую зависят от глубины прохождения процесса. При этом минимальные температуры мета- морфизма – 300 0 С сохраняются. Наименее глубинной зоной регионального ме- таморфизма является зона зелёных сланцев, соответствующая интервалу температур от 300 0 до 500 0 С, сменяющаяся гранат-амфиболитовой и другими зонами метаморфизма. Зоны или фации регионального метаморфизма выделя- ются по характерному для данных температуры и давления минералу, а сами такие минералы называют минералами-индикаторами степени метаморфизма. Примерами таких минералов, кроме названных выше, являются дистен, андалу- зит, ставролит и др. Относительно причин проявления регионального метаморфизма сущест- вует несколько гипотез, наиболее распространёнными и обоснованными из ко- торых можно считать следующие две: 1. Длительное устойчивое прогибание участков земной коры до глубины около 25 км в область высоких температур и давлений. 2. Интенсивные процессы складкообразования и горообразования с мощ- ными подъёмами огромных масс магмы и термальных растворов. Самые максимальные стадии метаморфизма относят уже к ультрамета- морфическим процессам, протекающим на очень больших глубинах, где воз- можно частичное или даже полное переплавление горных пород с 125 образованием магматических расплавов, то есть на грани метаморфизма и маг- матизма. Выделяются три стадии ультраметаморфизма: анатексис, палингенез и гранитизация. Анатексис – это частичное переплавление минералов кварцево- полевошпатового состава из пород любого первичного состава. Палингенез – полное переплавление исходных пород кислого состава (гранито-гнейсов, гранитов, полимиктовых песчаников и др.) с образованием гранитной магмы. Гранитизация – переплавление пород любого состава с образованием гранитной магмы. |