Метаморфизм и его связь с глубинами

Региональный метаморфизм и метаморфические пояса

Под метаморфизмом мы понимаем минералогические и структурные изменения кристаллических горных пород, вызванные сменой условий (в первую очередь температуры и давления); новые условия отличаются от тех, при которых происходило образование данных пород. Выветривание и диагенез, представляющие собой поверхностные или близповерхностные процессы, не относятся к метаморфизму и здесь не рассматриваются. Геологические и некоторые другие данные позволяют выделить ряд типов метаморфизма.

Контактный метаморфизм обусловлен термическим воздействием, которое оказывает магматическое интрузивное тело на вмещающие породы. Повышение температуры вызывает перекристаллизацию существенно твердых пород. Региональный метаморфизм, являющийся важнейшим типом, обусловлен воздействием давления и температуры во время орогенеза.

На начальных стадиях орогенеза в геосинклинали накапливается мощная толща осадочных пород. Эта толща не только сминается в складки и разбивается сбросами, по и нагревается, что вызывает метаморфическую перекристаллизацию. Происходит преобразование разных участков геосинклинальной толщи с возникновением минеральных ассоциаций, соответствующих разным условиям температур и давлений. В процессе такого метаморфизма толща рыхлых геосинклинальных осадков преобразуется в жесткую кристаллическую массу.

Петрографически регионально метаморфизованные породы представлены преимущественно кристаллическими сланцами и гнейсами, возникшими за счет глинистых и песчанистых осадков. Если в осадочной толще присутствуют магматические породы, они также могут испытать метаморфизм. Такой комплекс регионально метаморфизованных пород обнажается в пределах вскрытой осевой зоны древнего орогенного пояса. Температура и давление метаморфической перекристаллизации обычно возрастают по направлению к центральной линии осевой зоны. Такие зоны регионально метаморфизованных пород, протягивающиеся часто на расстояния более 1000 км, называются метаморфическими поясами.


Многие, хотя и пе все, метаморфические пояса сопровождаются многочисленными телами изверженных пород — гранитов и базальтов. Для геосинклинальной стадии обычно характерен базальтовый вулканизм, а внедрение гранитов происходит одновременно или после главной стадии регионального метаморфизма. Ядра континентов обычно состоят из таких регионально метаморфизованных и гранитных пород. Поэтому региональный метаморфизм можно рассматривать как процесс, формирующий континенты.

Типы регионального метаморфизма, обусловленные различной величиной отношения P/T

Обычно температура Т и давление Р возрастают к низам деформированной геосипклинальной толщи. Но градиент dP/dT для разных случаев существенно различен. Поэтому можно предположить, что процесс регионального метаморфизма характеризуется большими колебаниями величины P/T. Это было обнаружено совсем недавно [81.

Региональный метаморфизм при низких значениях P/Т пород соответствующего состава ведет к образованию андалузита (фиг. 1). Метаморфические пояса этого типа обычно сопровождаются большими массами гранитоидов. К ним относятся метаморфический пояс Риоке — Абукума в Японии, палеозойские пояса юго-восточной Австралии, а также докембрийские свекофенниды Финляндии.

Региональный метаморфизм при высоких значениях PIT приводит к возникновению в породах соответствующего химического состава глаукофана — лавсонита, а также жадеит-кварцев ой ассоциации. Метаморфизм такого типа иногда называют глаукофановым. В таких метаморфических поясах почти или полностью отсутствуют граниты, но в геосинклинальной толще обычны многочисленные базальтовые вулканиты. Как правило, много серпентинитов. В большинстве случаев это характерно для молодых орогенических поясов, но не только для них. К описываемому типу относятся пояс Санбагава в Японии и Францисканский метаморфический комплекс в Калифорнии. Метаморфизм промежуточных типов характеризуется наличием кианита и отсутствием глаукофана. В качестве типичных примеров могут служить каледониды Шотландии, Норвегии, а также Аппалачи на северо-востоке США. Петрологическое изучение этого типа регионального метаморфизма началось в конце прошлого столетия, намного раньше, чем двух других типов. Поэтому в течение ряда лет этот тип метаморфизма неправильно рассматривался в качестве единственного, или нормального, типа регионального метаморфизма.

Минеральный состав как индикатор температуры, общего давления и парциального давления воды

Относительные значения температур, которые преобладают во время метаморфизма, определяются путем изучения метаморфических пород. Большинство метаморфических минералов содержит некоторое количество воды (главным образом в виде аниона ОН-). При повышении температуры метаморфические реакции протекают с удалением воды из минералов. Поэтому в пределах серии метаморфических пород в породах с меньшим содержанием воды равновесие наступает при более высоких температурах, конечно, если все остальные условия сохраняются неизменными. Исходя из этого, можно наметить приблизительное расположение изотерм (чаще называемых изоградами) в области развития метаморфических пород.

Нижний температурный предел метаморфизма отвечает началу перекристаллизации, когда метаморфическая порода постепенно переходит в область неперекристаллизованных пород. Однако в некоторых случаях метаморфические породы переходят в область интенсивного диагенеза, и установление нижнего температурного предела метаморфизма зависит от того, какой смысл вложен в определение «метаморфизм». Верхним температурным пределом метаморфизма является температура, при которой начинается плавление пород, т. е. анатексис. С увеличением температуры метаморфизм постепенно переходит в анатексис.

Величину относительного давления, действующего на твердую фазу, определить значительно труднее. С увеличением давления объем твердых фаз стремится уменьшиться. Поэтому можно считать, что при более высоких давлениях образуются породы, обладающие большой плотностью.

Вода в метаморфических зонах, по-видимому, представляет собой более или менее подвижный компонент, однако вопрос о степени ее подвижности остается нерешенным. Д. С. Коржинский [7] и Томпсон [10, 11] считают, что вода весьма подвижна и является полностью подвижным компонентом в теоретически идеальной системе. В то же время Тернер и Ферхуген [12], а также Винклер [14] полагают, что подвижность воды не так велика. В первом случае давление воды (предполагаемое или действительное) значительно меньше давления, действующего на твердую фазу, а во втором давление воды примерно равно последнему.


Когда давление, действующее на твердую фазу, остается постоянным, а давление воды уменьшается, температура, при которой водусодержащие метаморфические минералы теряют воду, будет падать. Поэтому крайне важно знать соотношение между давлением твердой фазы и давлением воды. Однако это трудная задача.

По мнению многих авторов, СO₂ относится к более или менее подвижным компонентам в метаморфических породах, а O₂, наоборот, обычно полностью связан.

Численные значения температур и давлений

За последние 15 лет были проведены многочисленные экспериментальные исследования с целью количественной оценки устойчивости различных метаморфических минералов. Для более детального ознакомления с той ролью, которую играют опыты при изучении метаморфизма, можно отослать читателя, например, к работам Винклера [14] или Файфа и Тернера [4]. Однако до тех пор, пока не будет определена величина давления воды при метаморфизме, приложение результатов экспериментов к естественным породам будет ограниченным.

Особое значение приобретают экспериментальные данные по устойчивости безводных минералов, так как в этом случае все зависит от температуры и давления, действующего на твердую фазу, но не от давления воды. Мы можем использовать эти данные для оценки температуры и давления, при которых происходят метаморфические процессы. К таким равновесным системам относятся следующие:


Андалузит, кианит и силлиманит представляют собой полиморфные разновидности Al₂SiO₅ и широко распространены в разнообразных первично глинистых метаморфических породах. Поэтому определение полей устойчивости этих минералов имеет первостепенное значение при расчете температур и давлений. Практически все исследователи считают, что андалузит устойчив при малых давлениях, кианит — при более высоких давлениях, а силлиманит — при высоких температурах и что поля устойчивости этих модификаций сходятся в тройной точке (фиг. 1). Определение численных значений этой точки вызывает большие разногласия (табл. 1).


Если мы условно примем для тройной точки состава Al₂SiO₅ величину давления, приводимую Алтаусом [1] (около 6,6 кбар), то она будет соответствовать давлению нагрузки на глубине около 25 км. По-видимому, перекристаллизация большей части регионально метаморфизованных пород происходит на глубинах, превышающих 25 км. Если принять, что отношение устойчивости для ассоциации жадеит — кварц соответствует значениям, экспериментально полученным Берчем и Ле-Контом [3], то региональный метаморфизм при большой величине отношения P/T должен быть связан с давлением 10 кбар или более. Эта величина соответствует литостатическому давлению на глубине около 37 км или более.

Следовательно, региональный метаморфизм, очевидно, проявляется на различных глубинах в пределах всей континентальной коры. Таким путем могла образоваться или измениться вся континентальная кора.

Энергия и вещество, поступающие из мантии

Процесс регионального метаморфизма геосинклинальных осадочных пород — процесс эндотермический. Большое количество тепла связывается во вновь образованных метаморфических минералах, а также расходуется на удаление из минералов воды и СO₂. Тепло должно поступать с больших глубин, главным образом из мантии.

Как уже упоминалось выше, в геосинклинальных толщах, особенно регионально метаморфизованных в условиях высоких значений Р/Т, встречается большое количество вулканических пород базальтового состава. Скорее всего эти базальты образовались в результате частичного плавления материала мантии. Породы гранитного состава, слагающие значительную часть континентальной коры, очевидно, генетически связаны с региональных! метаморфизмом. Откуда поступал гранитный материал? Можно предположить, что образование гранитных магм происходило в процессе плавления ранее существовавших пород, например геосинклинальных кремнеземистых осадков. В конечном счете такой материал должен был поступать из мантии. Мантия, вероятно, состоит из ультраосновных пород, недосы-щенных SiO₂, а гранитоиды земной коры пересыщены SiO₂. Каким образом пересыщенные кремнеземом породы могли образоваться из недосыщенного вещества мантии?

В ходе частичного плавления материала мантии могут возникать базальтовые магмы. Обычная фракционная кристаллизация базальтовых магм может дать остаточные жидкости, пересыщенные кремнеземом. Однако объем этих жидкостей слишком мал, для того чтобы за их счет могла образоваться континентальная кора. В одной из статей настоящей монографии (стр. 21) рассмотрена гипотеза возникновения известково-щелочной магмы в мантии.