Геохимия метаморфических процессов

Для зоны метаморфизма характерен комплекс процессов при по­вышенных температуре и давлении с участием химически активных веществ, которые приводят к минеральным структурным преобразо­ваниям горных пород.

В геохимическом отношении метаморфические породы изучены слабее, чем магматические. Метаморфизм преобразовывает осадоч­ные и магматические породы под влиянием более высоких темпера­тур, давлений и активности жидких растворов, чем на поверхности Земли (Н. Л. Добрецов).

Ассоциации новообразованных минералов в метаморфических условиях образуют новые структуры, которые соответствуют изме­нившимся условиям. Таким образом, метаморфизм приводит к час­тичной или полной перекристаллизации породы с образованием но­вых структур и новых минералов. Почти все солевые отложения обна­руживают признаки частичной или полной перекристаллизации при погружении на глубину. Вода является основным веществом в дейст­вии химически активных растворов при метаморфизме. Она может привносить и выносить материал, растворять и переосаждать. Поэто­му в зоне метаморфизма может протекать метасоматоз. Действие во­ды усиливается в присутствии углекислого газа, борной кислоты, фтористого и хлористого водорода, других веществ, часто магматиче­ского происхождения. Вопросы миграции химических элементов с водой детально рассмотрены Д. С. Коржинским. В зависимости от ди­намики среды выделяется два типа метасоматоза в зоне метаморфиз­ма: диффузный и инфильтрационный.

При диффузном метасоматозе поровые растворы неподвижны в случае отсутствия перепадов давления. При этом ведущим фактором метаморфического метасоматоза выступает концентрация растворен­ного вещества. Ионы мигрируют через неподвижные поровые раство­ры в направлении понижения концентрации.

Фильтрационная миграция происходит в зонах дробления, рас­сланцевания, по микротрещинам и зонам тектонических нарушений. Понятие о дифференциальной подвижности компонентов при метасо­матозе ввел Д. С. Коржинский – наиболее подвижные элементы с большим ионным радиусом и относительно малым зарядом. Ряд сни­жения подвижности химических элементов следующий: S→SO3→K→Na→F→Ca→O2→FeO→P→Ba→Mg→Si→Al→Fe2O3.

Однако подвижность элементов зависит от многих причин и ме­няется в соответствии с конкретной обстановкой. Мигрирующие эле­менты перемещаются на разные расстояния, что приводит к возник­новению метасоматической зональности.

Скорость миграции химических элементов в твердом состоянии ничтожна и протекает путем диффузии через кристаллические решет­ки минералов. Происходит перемешивание атомов, появляются де­фекты в структуре минералов, могут образовываться вторичные плен­ки замещения в зернах минералов без какого-либо геохимического эффекта (Г. Рамберг, 1952).

С точки зрения термодинамики метаморфизм может быть пред­ставлен как превращение одной минеральной ассоциации в другую с меньшей свободной энергией:

A + B + C → L + M + N.

Возрастание давления сдвигает равновесие в направлении уменьшения объема системы, а температуры – способствует эндотер­мическим реакциям. В общем виде метаморфизм приводит к превра­щению материала породы в минеральную ассоциацию, обладающую в данных условиях наименьшей свободной энергией.

Кинетика гетерогенных реакций разработана недостаточно. Энер­гия активации – важнейший фактор, определяющий скорость реакции, которая увеличивается при повышении температуры, что приводит к ослаблению связи между частицами фазы, облегчает подвижность реагирующих частиц, снижает энергию активации и ускоряет реак­цию. Вещества будут реагировать тем легче, чем мельче зерна и чем лучше они перемешаны, т. е. мелкозернистые породы метаморфизи­руются быстрее, чем грубозернистые. Изменение пород под действи­ем повышающейся температуры происходит быстрее, в отличие от понижающейся.