Метаморфические горные породы

Метаморфизмом горных породназывается существенное изменение их минерального состава, структуры и текстуры, происходящее под действием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре. Преобразование горных пород происходит с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения.

Метаморфические изменения в горных породах начинаются при повышении температуры до 200 ºС и увеличении литостатического давления, вызванного весом вышележащих слоев пород. Однако не меньшее значение имеет стресс – боковое давление, обеспечивающее различное напряженное состояние горных пород, в результате которого меняется газо- и теплообмен между слоями пород.

В зависимости от действия факторов метаморфизма (температуры, давления, химизма среды) на одни и те же исходные породы изменяется минеральный состав первичных пород, что приводит к образованию разнообразных метаморфических пород. Этот комплекс новых минералов или парагенезис (сонахождение), называется метаморфической фацией.

В зависимости от ступени метаморфизации горных пород (низкой, средней или высокой) различают три метаморфические фации:

1) зеленосланцевая фация – низкая ступень метаморфизма, особенностью формирования пород является обстановка низких температур – 200–400 ºС и высоких давлений – до 1200 МПа на глубинах до 40 км под действием литостатического давления или на меньших глубинах в результате сильнейшего стресса – одностороннего давления, возникающего, например, в результате крупных надвигов (филлиты, глаукофановые или голубые сланцы).

2) амфиболитовая фация – средняя ступень метаморфизма, характерна для амфиболитов и разнообразных кристаллических сланцев – образование пород происходит при температурах 500–700 ºС и давлениях 200–800 МПа. При таких температурах породы начинают испытывать частичное плавление в отдельных тонких слоях с образованием мигмы (от греч. «мигма» – смесь ), а породы превращаются в мигматиты, в которых чередуются полоски гранитного состава – мигмы и полоски темноцветных минералов, еще не вовлеченных в плавление.

3) к высшей ступени метаморфизма относится гранулитовая фация – формирование пород происходит при температурах 700–1000 ºС и давлениях 400–1200 МПа на глубинах 10–40 км. Характерными породами этой фации являются гнейсы.

Типы метаморфизма

Метаморфизм может проявляться на огромных площадях, поэтому называется региональным, или на небольших участках –контактовыйметаморфизм.

Контактовый метаморфизм, вызванный внедрением магматических масс, проявляется в сравнительно узких зонах (ореолах). В зоне непосредственного соприкосновения внедрившегося магматического тела с вмещающими породами они претерпевают наиболее интенсивное изменение. По мере удаления от магматического тела изменения постепенно убывают. Обычно ширина контактового ореола составляет 2–3 км. Типичные породы, возникающие при контактовом метаморфизме, – пятнистые и узловатые («фруктовые») сланцы, гранатовые породы, роговики и мраморы.

Региональный метаморфизм, обусловленный давлением вышележащих мощных толщ горных пород, а также восходящими из глубин Земли тепловыми потоками, охватывает большие территории и многокилометровые толщи пород.

Как контактовый, так и региональный метаморфизм проявляется в преобразовании структуры пород, их перекристаллизации без изменения химического состава. Окаменелости при метаморфизме уничтожаются. При одностороннем давлении возникает сланцеватость. Первоначальный минеральный состав пород при этом сохраняется. Листоватые и чешуйчатые минералы (такие как хлорит, слюда, тальк) своей длинной осью ориентируются нормально к направлению давления и тем придают текстуре породы направленный характер, сообщая ей сланцеватость (рис. 14). Наличие кристаллизационной сланцеватости – характерный диагностический признак многих метаморфических пород.

Наряду с изменением структуры при метаморфизме может также произойти перекристаллизация пород, делающая их массивными, плотными. Мелкие минеральные зерна при этом исчезают, а крупные еще более увеличиваются в размерах, и вся порода становится крупнозернистой, возникают разнообразные новые минералы.

Метаморфиты классифицируются по минеральному составу, по структурно-текстурным признакам, по типу метаморфизма, по происхождению исходных пород и по условиям формирования самих метаморфитов.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям залегания занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим породам. Типичными минералами являются слюды, кварц, хлорит, тальк.

Наиболее характерны следующие текстуры:

1) сланцеватая– однообразное расположение пластинчатых минералов (параллельно друг другу), характерна для гнейсов (рис. 15а);

2) полосчатая– обособление минеральных скоплений в форме полос, в виде слоев – кристаллические сланцы различного минерального состава (рис. 15б).

3) массивная– характерна для мрамора, амфиболита, серпентинита и др.

Метаморфические породы имеют различную прочность и стойкость к выветриванию во времени. Например, если кварциты в городских условиях начинают разрушаться через 200–400 лет, то мраморы – уже через 20–130 лет.

Диагностические признаки метаморфических пород.

1. Полнокристаллические, зернистые.

2. Часто крупнозернистые.

3. Шелковистый блеск (у пород, богатых слюдой).

4. Параллельная текстура (сланцеватость).

5. Очень плотные, без пустот.

6. Отсутствие окаменелостей.

7. Мягкие формы выветривания.

Наиболее распространенные метаморфические горные породы

Гнейс – образуется из магматических и осадочных горных пород, характеризуется полосчатостью и сланцеватостью сложения, состоит из кварца, полевого шпата и слюды или роговой обманки, расположенных чередующимися полосами. Гнейсы могут возникнуть в результате метаморфизма изверженных (преимущественно кислых), осадочных и многих метаморфических пород.

По типу исходной породы выделяют гранитогнейс, диоритогнейс, сиенито­гнейс и конгломератовый гнейс; по характерным минералам – мусковитовый, биотитовый, авгитовый и роговообманковый гнейс; по внешнему облику и сложению – пятнистый, сланцеватый и очковый гнейс. Плотность гнейсов составляет около 2,7 г/см³; окраски разнообразные, как у гранитов. Используются они в виде мелкой щебенки и бутового камня.

Сланцы – это бедные полевым шпатом или вовсе лишенные его метаморфиты с отчетливой параллельной текстурой.

Глинистый сланец – результат начальной стадии изменения глинистых пород, от которых он отличается наличием сланцеватости, параллельно которой глинистый сланец раскалывается на пластины. Глинистые сланцы не обладают полнокристаллической структурой, не размокают в воде. Цвет сланцев зеленый, серый, черный.

Хлоритовый сланец состоит из хлорита с небольшой примесью кварца. Для него характерны зеленые тона и мелкочешуйчатая структура. Текстура сланцеватая. Образуется за счет основных магматических пород.

Тальковый сланец состоит почти исключительно из талька. Цвет чаще серый, зеленоватый; жирен на ощупь, образуется в процессе метаморфизации ультраосновных магматических пород, а при гидротермальном метаморфизме – и из серпентинитов.

Слюдяные сланцы обладают хорошо выраженной полнокристаллической структурой и сланцеватой текстурой. В состав их входят слюда и кварц. В зависимости от преобладания в породе той или иной слюды сланец называют мусковитовым, биотитовым и др.Образуются слюдяные сланцы из филлитов, глинистых сланцев, глин при глубоком их преобразовании.

Пятнистые и узловатые (фруктовые) сланцы – метаморфические породы с новообразованными минералами, развивающимися отдельными пятнами или в виде «узлов», напоминающих фрукты.

Кварцит состоит из зерен кварца, обладает полнокристаллической, обычно мелкозернистой структурой. Текстура его плотная, массивная. Цвет белый, светло-серый, красновато-бурый, малиновый. Образуется он при перекристаллизации кварцевых песков, песчаников и других кремнистых пород.

Массивные метаморфические породы отличаются низким содержанием кварца и полевого шпата и отсутствием слоистости.

Мрамор состоит из зерен кальцита; обладает полнокристаллической структурой; образуется при перекристаллизации известняков и других осадочных пород, богатых кальцитом. Характерна светлая окраска: белая, зеленоватая, серовато-голубоватая, розовая, полосчатая, пятнистая. Мрамор массивен, широко применяется как облицовочный материал.

Амфиболит образуется из базальтов, габбро, перидотитов или мергелистых глин, бедных известью. Минеральный состав: амфиболы – 40 %, пироксены – 10 %, плагиоклаз – 40 %, минералы-примеси – хлорит, фанат, кварц, рудные минералы (магнетит, ильменит). Обычно кристаллически-зернистый, зеленого цвета. Применяется как местный строительный материал.

Серпентинит, или змеевик, образуется при метаморфизме магматических пород группы перидотита и пикрита, а также доломитов и доломитовых известняков. Главный компонент – минерал серпентин, второстепенные компоненты – карбонаты, иногда фанат, оливин, пироксен, амфиболы, тальк и др., а также рудные минералы (магнетит, хромит). Окраска – зеленая различных оттенков; текстура массивная, сланцеватость практически отсутствует. Применяется для внутренней отделки общественных зданий и сооружений. Неустойчив к атмосферным агентам.