Метаморфические породы возникают в результате преобразования существующих пород в новые типы пород в процессе, называемом метаморфизмом . Исходная порода ( протолит ) подвергается воздействию температур от 150 до 200 °C (от 300 до 400 °F) и, зачастую, повышенному давлению в 100 мегапаскалей (1000 бар ) или более, что вызывает глубокие физические или химические изменения. Во время этого процесса порода остается в основном в твердом состоянии, но постепенно перекристаллизовывается до новой текстуры или минерального состава. [1] Протолит может быть магматической , осадочной или существующей метаморфической породой.
Метаморфические породы составляют большую часть земной коры и составляют 12% поверхности суши Земли. [2] Они классифицируются по протолиту, химическому и минеральному составу и текстуре . Они могут образоваться просто в результате глубокого захоронения под поверхностью Земли, где они подвергаются воздействию высоких температур и сильному давлению верхних слоев горных пород. Они также могут образовываться в результате тектонических процессов, таких как столкновения континентов, которые вызывают горизонтальное давление, трение и искажения. Метаморфическая порода может образовываться локально, когда порода нагревается в результате внедрения горячей расплавленной породы, называемой магмой , из недр Земли. Изучение метаморфических пород (в настоящее время обнаженных на поверхности Земли в результате эрозии и поднятия) дает информацию о температурах и давлениях, которые возникают на больших глубинах в земной коре.
Некоторыми примерами метаморфических пород являются гнейс , сланец , мрамор , сланец и кварцит . В строительстве зданий используются сланцевая [3] и кварцитовая [4] плитка. Мрамор также ценится при строительстве зданий [5] и как материал для скульптуры. [6] С другой стороны, сланцевая порода может представлять собой проблему для гражданского строительства из-за ее явно выраженной слабости. [7]
Метаморфические породы образуют одно из трех основных подразделений типов горных пород. Их отличают от магматических пород , которые образуются из расплавленной магмы , и осадочных пород , которые образуются из отложений , выветрившихся из существующей породы или химически осажденных из водоемов. [8]
Метаморфические породы образуются, когда существующая порода подвергается физическому или химическому преобразованию при повышенной температуре без фактического плавления в какой-либо значительной степени. Важность нагревания в формировании метаморфических горных пород была впервые отмечена шотландским натуралистом-первопроходцем Джеймсом Хаттоном , которого часто называют отцом современной геологии. Хаттон писал в 1795 году, что некоторые скальные отложения Шотландского нагорья изначально представляли собой осадочные породы, но были преобразованы под воздействием сильной жары. [9]
Хаттон также предположил, что давление играет важную роль в метаморфизме. Эту гипотезу проверил его друг Джеймс Холл , который запечатал мел в импровизированный сосуд под давлением , сделанный из пушечного ствола, и нагрел его в чугунолитейной печи. Холл обнаружил, что при этом получается материал, сильно напоминающий мрамор , а не обычную негашеную известь, получаемую путем нагревания мела на открытом воздухе. Впоследствии французские геологи добавили метасоматизм , циркуляцию жидкостей через погребенные породы, в список процессов, способствующих метаморфизму. Однако метаморфизм может протекать без метасоматоза ( изохимический метаморфизм ) или на глубинах всего в несколько сотен метров, где давления относительно невелики (например, при контактном метаморфизме ). [9]
Метаморфические процессы изменяют текстуру или минеральный состав метаморфизованной породы.
_1_(45574881922).jpg/1280px-Amphibolite_(Archean,_3.1-3.2_Ga;_Norris_South_roadcut,_Madison_County,_Montana,_USA)_1_(45574881922).jpg)
Метасоматоз может изменить валовой состав породы. Горячие жидкости, циркулирующие через поровое пространство породы, могут растворять существующие минералы и осаждать новые минералы. Растворенные вещества выносятся из породы флюидами, а новые вещества приносятся свежими флюидами. Очевидно, это может изменить минеральный состав породы. [10]
Однако изменения минерального состава могут иметь место и тогда, когда валовой состав породы не меняется. Это возможно, поскольку все минералы устойчивы только в определенных пределах температуры, давления и химической среды. Например, при атмосферном давлении минерал кианит превращается в андалузит при температуре около 190 °C (374 °F). Андалузит, в свою очередь, превращается в силлиманит , когда температура достигает около 800 ° C (1470 ° F). Все три имеют одинаковый состав Al 2 SiO 5 . Точно так же форстерит стабилен в широком диапазоне давления и температуры в мраморе , но превращается в пироксен при повышенном давлении и температуре в более богатой силикатами породе, содержащей плагиоклаз , с которым форстерит вступает в химическую реакцию. [11]
Между минералами могут происходить многие сложные высокотемпературные реакции без их плавления, и каждый образовавшийся минеральный комплекс указывает на температуру и давление во время метаморфизма. Эти реакции возможны из-за быстрой диффузии атомов при повышенной температуре. Поровая жидкость между минеральными зернами может быть важной средой, через которую происходит обмен атомами. [10]
Изменение размера частиц породы в процессе метаморфизма называется рекристаллизацией . Например, мелкие кристаллы кальцита в осадочных породах, известняке и меле превращаются в более крупные кристаллы в метаморфических породах, мраморе . [12] В метаморфизованном песчанике рекристаллизация исходных зерен кварцевого песка приводит к образованию очень компактного кварцита, также известного как метакварцит, в котором часто более крупные кристаллы кварца сцеплены между собой. [13] Рекристаллизации способствуют как высокие температуры, так и давления. Высокие температуры позволяют атомам и ионам в твердых кристаллах мигрировать, тем самым реорганизуя кристаллы, а высокое давление вызывает растворение кристаллов внутри породы в точке их контакта. [14]
Метаморфические породы характеризуются своеобразным минеральным составом и текстурой.
Поскольку каждый минерал стабилен только в определенных пределах, присутствие определенных минералов в метаморфических породах указывает на приблизительные температуры и давления, при которых порода подверглась метаморфизму. Эти минералы известны как индексные минералы . Примеры включают силлиманит , кианит , ставролит , андалузит и некоторые гранаты . [15]
Другие минералы, такие как оливины , пироксены , роговая обманка , слюды , полевые шпаты и кварц , могут быть обнаружены в метаморфических породах, но не обязательно являются результатом процесса метаморфизма. Эти минералы также могут образовываться при кристаллизации магматических пород. Они стабильны при высоких температурах и давлениях и могут оставаться химически неизменными в процессе метаморфизма. [16]
Метаморфические породы обычно имеют более крупнокристаллическую структуру, чем протолит, из которого они образовались. Атомы внутри кристалла окружены устойчивым расположением соседних атомов. Она частично отсутствует на поверхности кристалла, создавая поверхностную энергию , которая делает поверхность термодинамически нестабильной. Рекристаллизация до более крупных кристаллов уменьшает площадь поверхности и, таким образом, минимизирует поверхностную энергию. [17]
Хотя укрупнение зерен является распространенным результатом метаморфизма, сильно деформированная порода может устранить энергию деформации за счет рекристаллизации в мелкозернистую породу, называемую милонитом . Определенные виды горных пород, например, богатые кварцем, карбонатными минералами или оливином, особенно склонны к образованию милонитов, тогда как полевой шпат и гранат устойчивы к милонитизации. [18]
Многие виды метаморфических пород имеют характерную слоистость, называемую слоением (от латинского слова folia , что означает «листья»). Слоистость развивается при укорочении породы вдоль одной оси в процессе рекристаллизации. Это заставляет кристаллы пластинчатых минералов, таких как слюда и хлорит , вращаться так, что их короткие оси параллельны направлению укорочения. В результате получается полосчатая или слоистая порода, полосы которой имеют цвет минералов, из которых они образовались. Рассланцованная порода часто имеет плоскости спайности . Сланец является примером расслоенной метаморфической породы, происходящей из сланца , и обычно имеет хорошо развитый раскол, который позволяет сланцу раскалываться на тонкие пластины. [19]
Тип развивающейся слоистости зависит от степени метаморфизма. Например, начиная с аргиллита , с повышением температуры развивается следующая последовательность: аргиллит сначала превращается в сланец, который представляет собой очень мелкозернистую, слоистую метаморфическую породу, характерную для метаморфизма очень низкой степени. Сланец, в свою очередь, превращается в филлит , который является мелкозернистым и встречается в районах слабого метаморфизма. Сланец от среднего до крупнозернистого и встречается в районах средней степени метаморфизма. Высокоуровневый метаморфизм превращает породу в гнейс , от грубозернистого до очень крупнозернистого. [20]
Породы, подвергшиеся равномерному давлению со всех сторон, или те, в которых отсутствуют минералы с характерными особенностями роста, не будут расслоены. В мраморе отсутствуют пластинчатые минералы, и он, как правило, не расслаивается, что позволяет использовать его в качестве материала для скульптуры и архитектуры.
Метаморфические породы являются одним из трех крупнейших подразделений всех типов горных пород, поэтому существует большое разнообразие типов метаморфических пород. В общем, если протолит метаморфической породы можно определить, порода описывается путем добавления префикса мета- к названию протолитовой породы. Например, если известно, что протолит — базальт , порода будет описана как метабазальт. Аналогично, метаморфическая порода, протолит которой, как известно, представляет собой конгломерат , будет описываться как метаконгломерат . Чтобы метаморфическую породу можно было классифицировать таким образом, протолит должен быть идентифицирован по характеристикам самой метаморфической породы, а не выведен из другой информации. [21] [22] [23]
В соответствии с системой классификации Британской геологической службы , если все, что можно определить о протолите, — это его общий тип, например осадочный или вулканический, классификация основана на минеральном типе (объемном процентном содержании различных минералов в породе). Метаосадочные породы подразделяются на богатые карбонатами породы (метакарбонаты или известково-силикатные породы) или бедные карбонатами породы, причем последние классифицируются далее по относительному обилию слюды в их составе. Он варьируется от псаммита с низким содержанием слюды через семипелит и пелит с высоким содержанием слюды . Псаммиты, состоящие в основном из кварца, относятся к кварцитам. Метамагматические породы классифицируются аналогично магматическим породам по содержанию кремнезема : от метаультраосновных пород (с очень низким содержанием кремнезема) до метакислых пород (с высоким содержанием кремнезема). [22]
Если минеральный тип невозможно определить, как это часто бывает при первом исследовании породы в полевых условиях , тогда классификация должна основываться на текстуре. Текстурные типы:
Роговик — это гранофель, который, как известно, возникает в результате контактного метаморфизма . Сланец — это мелкозернистая метаморфическая порода, которая легко распадается на тонкие пластины, но не имеет явной слоистой структуры . Этот термин используется только в том случае, если о породе известно очень мало, что позволило бы провести более точную классификацию. Текстурные классификации могут иметь префикс для обозначения осадочного протолита ( пара- , например, парасланец) или магматического протолита ( орто- , например, ортогнейс). Когда о протолите ничего не известно, текстурное название используется без префикса. Например, сланец — это горная порода со сланцевой текстурой, протолит которой неизвестен. [22]
Существуют специальные классификации метаморфических пород с вулканокластическим протолитом, образовавшихся по разлому или в результате гидротермальной циркуляции . Несколько специальных названий используются для пород неизвестного протолита, но известного модального состава, таких как мрамор, эклогит или амфиболит . [22] Специальные названия также могут применяться в более общем смысле к горным породам, в которых преобладает один минерал, или к породам с особым составом, формой или происхождением. Специальные названия, которые до сих пор широко используются, включают амфиболит, зеленый сланец , филлит, мрамор, серпентинит , эклогит, мигматит , скарн , гранулит , милонит и сланец. [23]
Базовую классификацию можно дополнить терминами, описывающими минеральное содержание или текстуру. Например, метабазальт, демонстрирующий слабую сланцеватость, может быть описан как гнейсовый метабазальт, а пелит, содержащий обильные ставролиты, может быть описан как ставролитовый пелит. [22] [23]
Метаморфическая фация — это набор отличительных комплексов минералов, обнаруженных в метаморфических породах, образовавшихся при определенном сочетании давления и температуры. Конкретный комплекс в некоторой степени зависит от состава этого протолита, так что (например) амфиболитовая фация мрамора не будет идентична амфиболитовой фации пелита. Однако фации определяются таким образом, что метаморфические породы с настолько широким диапазоном составов, насколько это практически возможно, могут быть отнесены к определенной фации. Нынешнее определение метаморфической фации во многом основано на работе финского геолога Пентти Эсколы с уточнениями, основанными на последующих экспериментальных работах. Эскола опирался на зональные схемы, основанные на индексных минералах, впервые предложенные британским геологом Джорджем Барроу . [24]
Метаморфическая фация обычно не учитывается при классификации метаморфических пород на основе протолита, минерального типа или текстуры. Однако некоторые метаморфические фации образуют породы такого своеобразного характера, что название фации используется для породы, когда более точная классификация невозможна. Главные примеры — амфиболит и эклогит . Британская геологическая служба настоятельно не рекомендует использовать гранулит в качестве классификации горных пород, метаморфизованных в гранулитовую фацию. Вместо этого такую породу часто классифицируют как гранофель. [22] Однако этот подход не является общепринятым. [23]
Метаморфические породы составляют большую часть земной коры и составляют 12% поверхности суши Земли. [2] Нижняя континентальная кора состоит в основном из метаосновных пород и пелитов, достигших гранулитовой фации . В средней континентальной коре преобладают метаморфические породы, достигшие амфиболитовой фации. [25] В верхней части земной коры, которая является единственной частью земной коры, геологи могут напрямую брать образцы, метаморфические горные породы образуются только в результате процессов, которые могут происходить на небольшой глубине. Это контактный (термальный) метаморфизм , динамический (катакластический) метаморфизм , гидротермальный метаморфизм и ударный метаморфизм . Эти процессы носят относительно локальный характер и обычно достигают только фаций низкого давления, таких как роговиковая и санидинитовая фации . Большая часть метаморфических пород образована в результате регионального метаморфизма в средней и нижней коре, где порода достигает метаморфической фации более высокого давления. Эта порода встречается на поверхности только там, где обширное поднятие и эрозия привели к эксгумации породы, которая раньше находилась гораздо глубже в земной коре. [26]
Метаморфические породы широко обнажены в орогенных поясах , образовавшихся в результате столкновения тектонических плит на сходящихся границах . Здесь ранее глубоко погребенные породы были подняты на поверхность в результате поднятия и эрозии. [27] Метаморфические породы, обнаженные в орогенных поясах, возможно, подверглись метаморфизации просто потому, что находились на больших глубинах под поверхностью Земли, подвергаясь воздействию высоких температур и огромному давлению, вызванному огромным весом слоев горных пород выше. Этот вид регионального метаморфизма известен как погребальный метаморфизм . Это имеет тенденцию образовывать низкосортную метаморфическую породу. [28] Гораздо более распространенной является метаморфическая порода, образовавшаяся в процессе самого столкновения. [29] Столкновение плит вызывает высокие температуры, давления и деформации горных пород вдоль этих поясов. [30] Метаморфические породы, образовавшиеся в этих условиях, имеют тенденцию проявлять хорошо развитую сланцеватость. [29]
Метаморфические породы орогенных поясов характеризуются разнообразием метаморфических фаций. Там, где происходит субдукция , базальт погружающейся плиты метаморфизуется до метаморфической фации высокого давления. Первоначально он претерпевает слабый метаморфизм в метабазальт цеолитовой и пренит -пумпеллиитовой фации , но по мере погружения базальта на большие глубины он метаморфизуется в голубосланцевую фацию , а затем в эклогитовую фацию . Метаморфизм эклогитовой фации высвобождает большое количество водяного пара из породы, что приводит к вулканизму в вышележащей вулканической дуге . Эклогит также значительно плотнее голубого сланца, что приводит к дальнейшему субдукции плиты глубоко в мантию Земли . Метабазальт и голубые сланцы могут сохраняться в голубосланцевых метаморфических поясах, образовавшихся в результате столкновений континентов. Они также могут сохраняться путем обдукции на перекрывающей плите как часть офиолитов . [31] Эклогиты иногда встречаются в местах континентальных столкновений, где субдуцированные породы быстро возвращаются на поверхность, прежде чем они могут быть преобразованы в гранулитовую фацию в горячей верхней мантии. Многие образцы эклогита представляют собой ксенолиты , вынесенные на поверхность в результате вулканической деятельности. [32]
Многие орогенные пояса содержат метаморфические пояса с более высокими температурами и низким давлением. Они могут образовываться в результате нагревания породы восходящей магмой вулканических дуг, но в региональном масштабе. Деформация и утолщение земной коры в орогенном поясе также могут образовывать подобные метаморфические породы. Эти породы достигают зеленосланцевой , амфиболитовой или гранулитовой фации и являются наиболее распространенными из метаморфических пород, образующихся в результате регионального метаморфоза. Объединение внешней зоны метаморфических пород высокого давления и низкой температуры с внутренней зоной метаморфических пород низкого давления и высоких температур называется парным метаморфическим поясом . На главных островах Японии выделяются три отдельных парных метаморфических пояса, соответствующих разным эпизодам субдукции. [33] [34]
Метаморфические породы также обнажены в метаморфических комплексах ядра , которые формируются в области растяжения земной коры. Для них характерны пологие разломы, обнажающие купола метаморфических пород средней или нижней коры. Впервые они были обнаружены и изучены в провинции Бассейнов и хребтов на юго-западе Северной Америки [35] , но также встречаются в южной части Эгейского моря , на островах Д'Антрекасто и в других областях распространения. [36]
Континентальные щиты — это области обнаженных древних горных пород, которые составляют стабильные ядра континентов. Породы, обнаженные в древнейших районах щитов архейского возраста (более 2500 млн. лет), в основном относятся к гранитно-зеленокаменным поясам. Зеленокаменные пояса содержат метавулканические и метаосадочные породы, претерпевшие относительно легкую степень метаморфизма при температуре 350–500 ° C (662–932 ° F) и давлении 200–500 МПа (2 000–5 000 бар). Их можно разделить на низшую группу метабазальтов, включающую редкие метакоматииты ; средняя группа метапромежуточных и метакислых пород; и верхняя группа метаосадочных пород. [37]
Зеленокаменные пояса окружены высокосортными гнейсами, демонстрирующими сильно деформированный метаморфизм при низком давлении и высокой температуре (более 500 ° C (932 ° F)) в амфиболитовую или гранулитовую фацию. Они образуют большую часть обнаженных пород архейских кратонов. [37]
Гранитно-зеленокаменные пояса прорваны своеобразной группой гранитных пород, получившей название тоналит - трондьемит - гранодиоритовой или ТТГ-свиты. Это самые объемистые породы кратона, которые могут представлять собой важную раннюю фазу формирования континентальной коры. [37]
Срединно-океанические хребты — это место, где формируется новая океаническая кора в результате раздвигания тектонических плит. Здесь обширен гидротермальный метаморфизм. Это характеризуется метасоматозом, когда горячие жидкости циркулируют через породу. При этом образуются метаморфические породы зеленосланцевой фации. Метаморфическая порода серпентинит особенно характерна для этих условий и представляет собой химическую трансформацию оливина и пироксена в ультраосновных породах в минералы группы серпентина . [38] [29]
Контактный метаморфизм имеет место, когда магма внедряется в окружающую твердую породу ( вмещающую породу ). [29] Изменения, которые происходят, являются наибольшими там, где магма вступает в контакт с породой, потому что температуры самые высокие на этой границе и уменьшаются по мере удаления от нее. Вокруг магматической породы, образующейся из остывающей магмы, находится метаморфизованная зона, называемая контактным ореолом . Ореолы могут демонстрировать все степени метаморфизма от области контакта до неметаморфизованных (неизмененных) вмещающих пород на некотором расстоянии. Образование важных рудных минералов может происходить в процессе метасоматоза в зоне контакта или вблизи нее. [39] Контактные ореолы вокруг крупных плутонов могут иметь ширину до нескольких километров. [40]
Термин «роговик» часто используется геологами для обозначения мелкозернистых, компактных, нелистистых продуктов контактного метаморфизма. [41] Контактный ореол обычно демонстрирует небольшую деформацию, поэтому роговик обычно лишен сланцеватости и образует прочную, равнозернистую породу. Если порода изначально была полосчатой или рассланцованной (как, например, слоистый песчаник или рассланцованный известковый сланец ), этот признак может не стереться, и продуктом являются полосчатые роговики. [41] Контактный метаморфизм вблизи поверхности приводит к образованию характерных метаморфических минералов низкого давления, [29] таких как шпинель , андалузит, везувиан или волластонит . [42]
Подобные изменения могут быть вызваны в сланцах горением угольных пластов. [41] В результате получается порода под названием клинкер . [43]
Существует также тенденция к метасоматизму между магмой и осадочными вмещающими породами, при котором химические вещества в каждой из них обмениваются или вводятся в другую. В этом случае возникают гибридные породы, называемые скарнами . [41] [44]
Динамический (катакластический) метаморфизм имеет место локально по разломам . Здесь при интенсивном растрескивании породы обычно образуются милониты. [29]
Ударный метаморфизм отличается от других форм метаморфизма тем, что он происходит во время ударов внеземных тел. Здесь добываются редкие метаморфические минералы сверхвысокого давления, такие как коэсит и стишовит . [45] Коэсит редко встречается в эклогите, вынесенном на поверхность в кимберлитовых трубках , но присутствие стишовита уникально для ударных структур. [46]
Сланцевая черепица используется в строительстве, в частности в качестве черепицы. [3]
Кварцит достаточно тверд и плотен, поэтому его трудно добыть. Тем не менее, некоторые кварциты используются в качестве обмерного камня , часто в виде плит для полов, стен или ступенек. Около 6% щебня, используемого в основном для дорожного заполнителя, составляет кварцит. [4]
Мрамор также ценится при строительстве зданий [47] и как материал для скульптуры. [6]
Рассланцованная порода может представлять собой проблему для гражданского строительства из-за ее явно выраженной слабости. [7] Опасность может существовать даже на нетронутой местности. 17 августа 1959 года землетрясение магнитудой 7,2 дестабилизировало горный склон возле озера Хебген , штат Монтана, состоящий из сланца. Это вызвало массовый оползень, в результате которого погибли 26 человек, разбивших лагерь в этом районе. [48]
Метаморфизованная ультраосновная порода содержит минералы группы серпентина, в которую входят разновидности асбеста , представляющие опасность для здоровья человека. [49]
Белый мрамор ценится за использование для изготовления скульптур.
