Метасоматизм (от греч. μετά metá «изменение» и σῶμα sôma «тело») — это химическое изменение горной породы под воздействием гидротермальных и других жидкостей. [1] Его традиционно определяют как метаморфизм, который включает изменение химического состава, исключая летучие компоненты. [2] Это замена одной горной породы другой с другим минералогическим и химическим составом. Минералы, из которых состоят горные породы, растворяются, а на их месте отлагаются новые минеральные образования. Растворение и отложение происходят одновременно, и горная порода остается твердой.
Синонимы слова метасоматоз — метасоматоз [3] и метасоматический процесс . Слово метасоматоз может использоваться как название для определенных разновидностей метасоматоза (например, Mg -метасоматоз и Na -метасоматоз ). [4]
Метасоматоз может происходить под воздействием гидротермальных флюидов магматического или метаморфического происхождения.
В магматической среде метасоматоз производит скарны , грейзены и может влиять на роговики в контактном метаморфическом ореоле, прилегающем к интрузивному скальному массиву. В метаморфической среде метасоматоз обусловлен переносом массы из объема метаморфической породы при более высоком напряжении и температуре в зону с более низким напряжением и температурой, при этом метаморфические гидротермальные растворы действуют как растворитель . Это можно представить, как метаморфические породы в глубинной коре теряют флюиды и растворенные минеральные компоненты по мере того, как распадаются водные минералы, при этом эта жидкость просачивается в неглубокие уровни коры, чтобы химически изменить и изменить эти породы.
Этот механизм подразумевает, что метасоматоз — это поведение открытой системы, которое отличается от классического метаморфизма , который представляет собой минералогическое изменение породы in situ без заметного изменения химии породы. Поскольку метаморфизм обычно требует воды для облегчения метаморфических реакций, метаморфизм почти всегда происходит с метасоматозом.
Кроме того, поскольку метасоматизм является процессом переноса массы, он не ограничивается породами, которые изменяются путем добавления химических элементов и минералов или водных соединений . Во всех случаях для получения метасоматической породы некоторые другие породы также метасоматизируются, хотя бы путем реакций дегидратации с минимальными химическими изменениями. Это лучше всего иллюстрируется месторождениями золотой руды , которые являются продуктом сфокусированной концентрации флюидов, полученных из многих кубических километров дегидратированной коры в тонкие, часто сильно метасоматизированные и измененные зоны сдвига и жилы . Источниковая область часто в значительной степени химически не затронута по сравнению с сильно гидратированными, измененными зонами сдвига, но обе должны были подвергнуться дополнительному метасоматозу.
Метасоматизм более сложен в мантии Земли , поскольку состав перидотита при высоких температурах может быть изменен инфильтрацией карбонатных и силикатных расплавов, а также флюидов, богатых углекислым газом и водой, как обсуждалось в Luth (2003). [5] Считается, что метасоматизм особенно важен в изменении состава мантийного перидотита под островными дугами , поскольку вода вытесняется из океанической литосферы во время субдукции . Метасоматизм также считается критическим для обогащения областей источника некоторых недосыщенных кремнеземом магм . Карбонатитовые расплавы часто считаются ответственными за обогащение мантийного перидотита несовместимыми элементами .
Метасоматоз может быть похож на другие эндогенные процессы и отличается четырьмя основными признаками. [6] Первый из них — это ионное замещение в минералах , это может происходить из-за осаждения новых минералов одновременно с растворением существующих минералов. [6] Второй признак, используемый для идентификации метасоматоза, заключается в том, что он происходит из-за сохранения пород в твердом состоянии во время замещения. [6] Третий отличительный признак — из-за изохимического метаморфизма или добавления или вычитания основных элементов, отличных от воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2 ). [6] Последний признак — это отдельные зоны метасоматоза. Они образуются из-за магматизма и метаморфизма и формируют характерный рисунок метасоматической колонны. [6]
Метасоматические породы могут быть чрезвычайно разнообразны. Часто метасоматические породы глубоко, но слабо изменены , так что единственным свидетельством изменения является обесцвечивание, изменение цвета или изменение кристалличности слюдяных минералов.
В таких случаях для характеристики изменений часто требуется микроскопическое исследование минерального состава горных пород с целью характеристики минералов, любого дополнительного роста минералов, изменений в минералах протолита и т. д.
В некоторых случаях можно обнаружить геохимические свидетельства метасоматических процессов изменения. Обычно это происходит в форме подвижных растворимых элементов, таких как барий , стронций , рубидий , кальций и некоторые редкоземельные элементы . Однако для правильной характеристики изменения необходимо сравнивать измененные и неизмененные образцы.
Когда процесс достигает крайней степени выраженности, типичные метасоматиты могут включать:
Эффекты метасоматоза в мантийном перидотите могут быть как модальными, так и скрытыми. При скрытом метасоматозе изменяется минеральный состав или привнесенные элементы концентрируются на границах зерен, а минералогия перидотита остается неизменной. При модальном метасоматозе образуются новые минералы.
Скрытый метасоматизм может быть вызван взаимодействием восходящих или просачивающихся расплавов с окружающим перидотитом, и составы как расплавов, так и перидотита изменяются. При высоких температурах мантии твердотельная диффузия также может быть эффективна в изменении состава пород на расстоянии десятков сантиметров рядом с каналами расплава: градиенты в минеральном составе рядом с дайками пироксенита могут сохранять свидетельства этого процесса.
Модальный метасоматоз может привести к образованию амфибола и флогопита , и присутствие этих минералов в ксенолитах перидотита считается убедительным доказательством метасоматических процессов в мантии. Образование минералов, менее распространенных в перидотите, таких как доломит , кальцит , ильменит , рутил и армалколит , также приписывается метасоматозу расплава или флюида.
Существует две основные схемы, обсуждаемые для проявления метасоматизма в природе в гранитных системах. [9] Диффузионный метасоматоз, который был упомянут в разделе о типах метасоматитов, и инфильтрационный метасоматоз. Инфильтрация происходит в трещинах или разломах, которые способствуют течению флюида в областях с высокой проницаемостью. [9] Диффузия происходит, когда флюид внедряется в поры породы, это определяется пористостью . Породы, измененные инфильтрационным метасоматозом, будут менее изменены, чем породы, измененные диффузией, из-за эффектов дисперсии во время адвекции флюида. [10]
Эти два метода обычно используются для транспортировки из одного региона в другой. Эти затронутые регионы могут быть либо обогащены, либо обеднены компонентами, транспортируемыми относительно преметасоматического состояния. [11] Химическое выветривание сильно влияет на уровни и содержание метасоматической жидкости и геохимию основных элементов и минералогию силикокластических осадков. [12]
Исследование измененных пород в гидротермальных рудных месторождениях выявило несколько повсеместных типов ассоциаций изменений , которые образуют отдельные группы эффектов метасоматических изменений, текстур и минеральных ассоциаций.
Более редкие типы гидротермальных флюидов могут включать высокоуглеродистые флюиды, приводящие к продвинутым реакциям карбонизации вмещающей породы, типичным для кальциево-силикатных , и кремниево-гематитовых флюидов, приводящих к образованию джаспероидов , месторождений манторудных руд и зон окремнения , обычно в доломитовых пластах . Напряженные минералы и вмещающие породы гранитных плутонов заменяются порфиробластами ортоклаза и кварца в кварцевых монцонитах Папуз-Флэт. [14]