Способы образования метаморфических горных пород

Способы образования метаморфических горных пород

Тульский государственный педагогический университет им Л.Н. Толстого
Кафедра экологии
Голынская Ф.А.

e-mail:
tgpu@tula.net ГЕОЛОГИЯ

Метаморфизм. Метаморфические горные породы

1.Понятие о метаморфизме. Факторы метаморфизма.

Под метаморфизмом понимают изменение и преобразование горных пород под влиянием различных эндогенных геологических процессов, вызывающих значительные изменения термодинамических условий (прежде всего температуры и давления). Все преобразования в горных породах при процессах метаморфизма происходят путем их перекристаллизации в твердом состоянии. Метаморфизму могут подвергаться горные породы любого происхождения – осадочные, магматические и ранее существовавшие метаморфические. Степень изменения первичных горных пород (степень метаморфизма) может быть самой различной – от незначительных преобразований до полного изменения состава и облика пород.

Главными причинами, или факторами метаморфизма горных пород, являются температура, давление и химически активные вещества – растворы и летучие соединения.

Температура. Процессы метаморфизма, по мнению большинства исследователей, совершаются в интервале температур от 250 – 300° до 800° С. Повышение температуры всего на 10° С вдвое увеличивает скорость химических реакций, а на 100° С примерно в 1000 раз. В условиях земной коры повышение температуры вызывается двумя основными причинами:

1. погружением горных пород на большие глубины, что ведет к возрастанию температуры благодаря геотермическому градиенту (в среднем 1 ° на 33 мм.);
2. тепловым воздействием магматических расплавов, внедряющихся в земную кору.

Повышение температуры также может вызываться поступлением глубинных флюидов, местным возрастанием внутреннего теплового потока и некоторыми другими причинами.

Давление. Различают давление петростатическое (всестороннее) и боковое (одностороннее) или стресс.

Петростатическое давление является функцией глубины, и возрастание его обычно связано с погружением горных пород в глубь литосферы. Петростатическое давление также повышает температуру плавления минералов.

Боковое давление (стресс) возникает при интенсивных тектонических движениях дислокационного характера. Оно приводит к деформации, вызывает появление закономерностей пространственной ориентировки их в горной породе. Так, например, пластинчатые минералы располагаются плоскостями спайности перпендикулярно к направлению давления, в результате чего формируются так называемые сланцевые текстуры горных пород.

Химически активные вещества (вода, углекислота, водород, соединения хлора, серы и др.) являются катализаторами, облегчающими реакции между кристаллами, участвуют в образовании новых минералов, входя в их структуру и производя замещение старых минеральных ассоциаций новыми.

Существенная роль принадлежит фактору времени, ибо все это очень длительные процессы, осуществляющиеся в масштабах геологического времени.

Если же метаморфические преобразования сопровождаются значительным приносом и выносом, происходит замещение одних минеральных ассоциаций другими, изменяется химический состав горных пород. Такой метаморфизм называется метасоматическим.

2.Типы метаморфизма.

По преобладающей роли в процессе тех или иных факторов, а также в зависимости от масштабов явлений метаморфизма в пространстве выделяют отдельные виды, или типы метаморфизма. Основными типами метаморфизма являются региональный, контактовый и динамометаморфизм.

Региональный метаморфизм является наиболее распространенным и важным видом метаморфизма, поскольку охватывает огромные площади или целые регионы. Он проявляется в условиях, когда отдельные участки земной коры испытывают длительное прогрессивное погружение, в результате чегогорные породы перемещаются из верхних горизонтов земной коры в более глубокие. Обычно прогибание компенсируется осадконаполнением и в качестве главных факторов регионального метаморфизма, таким образом, выступает петростатическое давление и температура, постепенное повышение которой обусловлено геотермическим градиентом; существенную роль также может играть односторонне боковое давление и химически активные вещества.

В глубинных зонах земной коры может проявляться особая стадия регионального метаморфизма, называемая ультраметаморфизмом. Расплавы, возникающие при ультраметаморфизме и имеющие обычно гранитный состав, проникают во вмещающие породы, пронизывают их, образуя своеобразные породы смешанного состава – мигматиты. Широко развиты мигматиты в пределах древних щитов – Балтийского, Украинского, Алданского.

Контактовый метаморфизм проявляется на контактах магматических расплавов, внедряющихся в земную кору, с вмещающими породами. Вблизи контакта образуется ореол метаморфических пород, который обычно захватывает как окружающее магматическое тело породы, так и краевые части самого магматического тела. Ширина зоны контактового изменения (контактового ореола) может изменяться от сантиметров до первых километров. Основными причинами изменения горных пород в зонах контактов являются температура, возрастающая благодаря тепловому воздействию магматических масс на вмещающие породы, и химически активные газовые и жидкие растворы, выделяемые магматическими расплавами.

Процесс замещения одних минералов другими, протекающий при участии газовых и жидких растворов и сопровождающийся изменением химического состава минеральных образований называется метасоматозом, а разновидность метаморфизма – контактово – метасоматическим. В зависимости от агрегатного состояния растворов различают пневматолитовый и гидротермальный контактово – метасоматический метаморфизм. Наиболее распространенным контактово – метасоматическими горными породами являются скарны и грейзены.

Динамометаморфизм (катакластический, дислокационный метаморфизм) проявляется, главным образом, в верхних частях земной коры, в зонах развития тектонических движений дислокационного характера. Часто локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений. Таким образом, основной причиной, вызывающей его, является одностороннее давление. При динамометаморфизме изменяются в основном структурно – текстурные особенности горных пород. Происходит их дробление, а в более глубоких зонах в связи с повышением температуры механическое разрушение сменяется пластическими деформациями. В породах появляется полосчатость, заключающаяся в чередовании слоев различных по форме зерен и окраске минералов, возникает кристаллизационная сланцеватость.

3.Стадийность, зоны и фации метаморфизма.

Степень изменения пород при региональном метаморфизме находится в прямой зависимости от степени изменения термодинамических условий среды, ряд ученых в качестве главного критерия изменения условий рассматривают глубину протекния процесса, поскольку именно ею, в основном, определяется давление и температура.

При региональном метаморфизме различают три стадии изменения горных пород.

Первая стадия – стадия низкой степени метаморфизма или эпиметаморфизм. Ей соответствуют слабые изменения пород, которые проходят при температуре около 500° С и давлении менее 500 МПа (5000 атм.). При этом механические процессы преобладают над химическими и в породах сохраняются водные минералы. На этой стадии глины преобразуются в глиняные сланцы, песчаники – в кварциты, известняки – в мраморы. Ей соответствует самая верхняя зона метаморфических изменений – эпизона.

Вторая стадия – стадия средней степени метаморфизма или мезометаморфизм. Ей соответствуют температура от 500 до 1000° С и давление от 500 до 1000 МПа (от 5000 до 10000 атм.). На этой стадии происходит потеря водными минералами химически связанной воды. В результате глинистые и кварцевые породы преобразуются в слюдяные сланцы и гнейсы, кислые породы – в гнейсы, основные – в амфиболиты (роговообманковые сланцы). Этой стадии соответствует зона, расположенная ниже эпизоны, которая называется мезозона.

Третья стадия – высокой степени метаморфизма или катаметаморфизм. Преобразования на этой стадии происходят при температуре более 1000° С и давлении более 1000 МПа (10000 атм.). Гидростатическое давление преобладает над боковым, а химическое воздействие на горные породы – над химическим. В результате породы приобретают гнейсовую и массивную текстуру: слюдяной сланец преобразуется в гнейс, среднезернистый мрамор – в крупнозернистый, слюдистый кварцит – в кварцитовидный гнейс. Эти породы образуют глубинную зону, располагающуюся ниже мезозоны – катазону.

В настоящее время, говоря о зонах метаморфизма, имеют в виду всю совокупность физико – химических условий, создающихся на той или иной глубине. В соответствии с этим большинство исследователей для характеристики процессов метаморфизма и классификации метаморфических пород пользуются понятием о метаморфических фациях. Под метаморфической фацией понимается группа пород разного состава, образовавшихся в сходных термодинамических условиях. В качестве показателей этих условий используют так называемые индекс – минералы, устойчивые в строго определенных условиях температуры и давления.

По наличию минералов – индексов выделены фации:
повышение температуры =>
фация зеленых сланцев
эпидот – амфиболитовая фация
амфиболитовая фация
пироксен – роговообманковая фация
гранулитовая фация
глаукофановая фация
эклогитовая фация

Таким образом, каждая зона метаморфизма характеризуется наличием определенных минеральных ассоциаций.

4.Метаморфические горные породы.

О реликтовой структуре говорят в том случае, когда в породе сохраняется текстура исходной материнской породы. Так в метаморфизованных осадочных породах сохраняется их слоистость. В условиях одностороннего давления создаются благоприятные условия для развития минералов, вытянутых в одном или двух направлениях (призматических, игольчатых и др.), а также для их упорядоченной переориентации в горных породах.

В результате образуются следующие основные виды текстур:

1. сланцеватая – при однообразной ориентировке пластинчатых или удлиненных зерен;
2. полосчатая – при линейном обособлении отделбных минералов или их скоплений;
3. плойчатая – когда минеральные обособления смяты в мелкие складки;
4. очковая или линзовидная, образованная линзовидными, параллельно ориентированными скоплениями минералов и некоторые другие.

В некоторых породах, особенно контактово – метаморфических наблюдаются массивные структуры. Формы залегания метаморфических пород в абсолютном большинстве случаев наследуются от пород исходных. исключения составляют формы залегания контактово – метаморфических пород, представленных контактовыми ореолами.

Источник

Основы нефтегазового производства

Введение в геологию

1. Внутреннее строение Земли

Химический состав Земли

Химический состав Земли схож с составом других планет земной группы, например Венеры или Марса (см. рисунок 1).

В целом преобладают такие элементы, как железо, кислород, кремний, магний, никель. Содержание легких элементов невелико. Средняя плотность вещества Земли 5,5 г/см3.

О внутреннем строении Земли достоверных данных весьма мало. Рассмотрим рис. 2. Он изображает внутреннее строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра.

Рис. 1. Химический состав Земли

Ядро

Ядро расположено в центре Земли (см.рис 3), его радиус составляет около 3,5 тыс км. Температура ядра достигает 10 000 К, т. е. она выше, чем температура внешних слоев Солнца, а его плотность составляет 13 г/см3 (сравните: вода — 1 г/см3). Ядро предположительно состоит из сплавов железа и никеля.

Внешнее ядро Земли имеет большую мощность, чем внутреннее (радиус 2200 км) и находится в жидком (расплавленном) состоянии. Внутреннее ядро подвержено колоссальному давлению. Вещества, слагающие его, находятся в твердом состоянии.

Рис. 3. Строение Земли: ядро, мантия и земная кора

Мантия

Мантия — геосфера Земли, которая окружает ядро и составляет 83 % от объема нашей планеты (см. рис. 3). Нижняя ееграница располагается на глубине 2900 км. Мантия разделяется на менее плотную и пластичную верхнюю часть (800-900 км), из которой образуется магма (в переводе с греческого означает «густая мазь»; это расплавленное вещество земных недр — смесь химических соединений и элементов, в том числе газов, в особом полужидком состоянии); и кристаллическую нижнюю, тол- шиной около 2000 км.

Земная кора

Земная кора — внешняя оболочка литосферы (см. рис. 3). Ее плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли, — 3 г/см3.

От мантии земную кору отделяет граница Мохоровичича (ее часто называют границей Мохо), характеризующаяся резким нарастанием скоростей сейсмических волн. Она была установлена в 1909 г. хорватским ученым Андреем Мохоровичичем (1857- 1936).

Поскольку процессы, происходящие в самой верхней части мантии, влияют на движения вещества в земной коре, их объединяют под общим названием литосфера (каменная оболочка). Мощность литосферы колеблется от 50 до 200 км.

Ниже литосферы располагается астеносфера — менее твердая и менее вязкая, но более пластичная оболочка с температурой 1200 °С. Она может пересекать границу Мохо, внедряясь в земную кору. Астеносфера — это источник вулканизма. В ней находятся очаги расплавленной магмы, которая внедряется в земную кору или изливается на земную поверхность.

Состав и строение земной коры

По сравнению с мантией и ядром земная кора представляет собой очень тонкий, жесткий и хрупкий слой. Она сложена более легким веществом, в составе которого в настоящее время обнаружено около 90 естественных химических элементов. Эти элементы не одинаково представлены в земной коре. На семь элементов — кислород, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний — приходится 98 % массы земной коры (см. рис. 5).

Своеобразные сочетания химических элементов образуют различные горные породы и минералы. Возраст самых древних из них насчитывает не менее 4,5 млрд лет.

Рис. 4. Строение земной коры

» alt=»» width=»311″ height=»300″/>

Рис. 5. Состав земной коры

Минерал — это относительно однородное по своему составу и свойствам природное тело, образующееся как в глубинах, так и на поверхности литосферы. Примерами минералов служат алмаз, кварц, гипс, тальк и др. (Характеристику физических свойств различных минералов вы найдете в приложении 2.) Состав минералов Земли приведен на рис. 6.

» alt=»» width=»456″ height=»261″/>

Рис. 6. Общий минеральный состав Земли

Горные породы состоят из минералов. Они могут слагаться как из одного, так и из нескольких минералов.

Осадочные горные породы — глина, известняк, мел, песчаник и др. — образовались путем осаждения веществ в водной среде и на суше. Они лежат пластами. Геологи называют их страницами истории Земли, так как но ним можно узнать о природных условиях, существовавших на нашей планете в давние времена.

Среди осадочных горных пород выделяют органогенные и неорганогенные (обломочные и хемогенные).

Органогенные горные породы образуются в результате накопления останков животных и растений.

Обломочные горные породы образуются в результате выветривания, псрсотложсния с помощью воды, льда или ветра продуктов разрушения ранее возникших горных пород (табл. 1).

Таблица 1. Обломочные горные породы в зависимости от размеров обломков

Размер облом кон (частиц)

Песок и песчаники

Хемогенные горные породы формируются в результате осаждения из вод морей и озер растворенных в них веществ.

В толще земной коры из магмы образуются магматические горные породы (рис. 7), например гранит и базальт.

Осадочные и магматические породы при погружении на большие глубины под влиянием давления и высоких температур подвергаются значительным изменениям, превращаясь в метаморфические горные породы. Так, например, известняк превращается в мрамор, кварцевый песчаник — в кварцит.

В строении земной коры выделяют три слоя: осадочный, «гранитный», «базальтовый».

Осадочный слой (см. рис. 8) образован в основном осадочными горными породами. Здесь преобладают глины и глинистые сланцы, широко представлены песчаные, карбонатные и вулканогенные породы. В осадочном слое встречаются залежи таких полезных ископаемых, как каменный уголь, газ, нефть. Все они органического происхождения. Например, каменный уголь -это продукт преобразования растений древних времен. Мощность осадочного слоя колеблется в широких пределах — от полного отсутствия в некоторых районах суши до 20-25 км в глубоких впадинах.

» alt=»» width=»480″ height=»316.9111969112″/>

Рис. 7. Классификация горных пород по происхождению

«Гранитный» слой состоит из метаморфических и магматических пород, близких по своим свойствам к граниту. Наиболее распространены здесь гнейсы, граниты, кристаллические сланцы и др. Встречается гранитный слой не везде, но на континентах, где он хорошо выражен, его максимальная мощность может достигать нескольких десятков километров.

«Базальтовый» слой образован горными породами, близкими к базальтам. Это метаморфизованные магматические породы, более плотные по сравнению с породами «гранитного» слоя.

Мощность и вертикальная структура земной коры различны. Выделяют несколько типов земной коры (рис. 8). Согласно наиболее простой классификации различают океаническую и материковую земную кору.

Континентальная и океаническая кора различны по толщине. Так, максимальная толщина земной коры наблюдается под горными системами. Она составляет около 70 км. Под равнинами мощность земной коры составляет 30-40 км, а под океанами она наиболее тонкая — всего 5-10 км.

» alt=»» width=»480″ height=»441.41176470588″/>

Рис. 8. Типы земной коры: 1 — вода; 2- осадочный слой; 3 — переслаивание осадочных пород и базальтов; 4 — базальты и кристаллические ультраосновные породы; 5 — гранитно-метаморфический слой; 6 — гранулитово-базитовый слой; 7 — нормальная мантия; 8 — разуплотненная мантия

Различие континентальной и океанической земной коры по составу пород проявляется в том, что гранитный слой в океанической коре отсутствует. Да и базальтовый слой океанической коры весьма своеобразен. По составу пород он отличен от аналогичного слоя континентальной коры.

Граница суши и океана (нулевая отметка) не фиксирует перехода континентальной земной коры в океаническую. Замещение континентальной коры океанической происходит в океане примерно на глубине 2450 м.

» alt=»» width=»312″ height=»213″/>

Рис. 9. Строение материковой и океанической земной коры

Выделяют и переходные типы земной коры — субокеаническую и субконтинентальную.

Субокеаническая кора расположена вдоль континентальных склонов и подножий, может встречаться в окраинных и средиземных морях. Она представляет собой континентальную кору мощностью до 15-20 км.

Субконтинентальная кора расположена, например, на вулканических островных дугах.

По материалам сейсмического зондирования — скорости прохождения сейсмических волн — мы получаем данные о глубинном строении земной коры. Так, Кольская сверхглубокая скважина, впервые позволившая увидеть образцы пород с глубины более 12 км, принесла много неожиданного.

Предполагалось, что на глубине 7 км должен начаться «базальтовый» слой. В действительности же он обнаружен не был, а среди горных пород преобладали гнейсы.

Изменение температуры земной коры с глубиной. Приповерхностный слой земной коры имеет температуру, определяемую солнечным теплом. Это гелиометрический слой (от греч. гелио — Солнце), испытывающий сезонные колебания температуры. Средняя его мощность — около 30 м.

Ниже расположен еще более тонкий слой, характерной чертой которого является постоянная температура, соответствующая среднегодовой температуре места наблюдений. Глубина этого слоя увеличивается в условиях континентального климата.

Еще глубже в земной коре выделяется геотермический слой, температура которого определяется внутренним теплом Земли и с глубиной возрастает.

Увеличение температуры происходит главным образом за счет распада радиоактивных элементов, входящих в состав горных пород, прежде всего радия и урана.

Величину нарастания температуры горных пород с глубиной называют геотермическим градиентом. Он колеблется в довольно широких пределах — от 0,1 до 0,01 °С/м — и зависит от состава горных пород, условий их залегания и ряда других факторов. Под океанами температура с глубиной нарастает быстрее, чем на континентах. В среднем с каждыми 100 м глубины становится теплее на 3 °С.

Величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермической ступенью. Она измеряется в м/°С.

Тепло земной коры — важный энергетический источник.

Часть земной коры, простирающаяся глубин, доступных для геологического изучения, образует недра Земли. Недра Земли требуют особой охраны и разумного использования.

Источник