Метаморфические породы возникают в результате преобразования существующих пород в новые типы пород в процессе, называемом метаморфизмом . Исходная порода ( протолит ) подвергается воздействию температур выше 150–200 °C (от 300 до 400 °F) и, часто, повышенного давления 100 мегапаскалей (1000 бар ) или более, что вызывает глубокие физические или химические изменения. Во время этого процесса порода в основном остается в твердом состоянии, но постепенно перекристаллизовывается в новую текстуру или минеральный состав. [1] Протолит может быть магматической , осадочной или существующей метаморфической породой.
Метаморфические породы составляют большую часть земной коры и образуют 12% поверхности суши Земли. [2] Они классифицируются по их протолиту, их химическому и минеральному составу и их текстуре . Они могут быть образованы просто глубоко залегая под поверхностью Земли, где они подвергаются воздействию высоких температур и большого давления слоев породы выше. Они также могут образовываться в результате тектонических процессов, таких как столкновения континентов, которые вызывают горизонтальное давление, трение и искажение. Метаморфические породы могут образовываться локально, когда порода нагревается вторжением горячей расплавленной породы, называемой магмой, из недр Земли. Изучение метаморфических пород (теперь выходящих на поверхность Земли после эрозии и подъема) дает информацию о температурах и давлениях, которые возникают на больших глубинах в земной коре.
Некоторые примеры метаморфических пород: гнейс , сланец , мрамор , сланец и кварцит . Сланцевая [3] и кварцитовая [4] плитка используются в строительстве зданий. Мрамор также ценится в строительстве зданий [5] и как материал для скульптуры. [6] С другой стороны, сланцевая коренная порода может представлять проблему для гражданского строительства из-за ее выраженных плоскостей слабости. [7]
Метаморфические породы образуют одно из трех больших подразделений типов горных пород. Они отличаются от магматических пород , которые образуются из расплавленной магмы , и осадочных пород , которые образуются из осадков, выветренных из существующих пород или осажденных химическим путем из водоемов. [8]
Метаморфические породы образуются, когда существующая порода преобразуется физически или химически при повышенной температуре, фактически не плавясь в какой-либо значительной степени. Важность нагревания в образовании метаморфической породы была впервые отмечена пионером шотландского натуралиста Джеймсом Хаттоном , которого часто называют отцом современной геологии. Хаттон писал в 1795 году, что некоторые пласты горных пород Шотландского нагорья изначально были осадочными породами, но были преобразованы под действием большого тепла. [9]
Хаттон также предположил, что давление играет важную роль в метаморфизме. Эту гипотезу проверил его друг Джеймс Холл , который запечатал мел в самодельном сосуде высокого давления, сделанном из ствола пушки, и нагрел его в чугунолитейной печи. Холл обнаружил, что это дало материал, сильно напоминающий мрамор , а не обычную негашеную известь , полученную путем нагревания мела на открытом воздухе. Французские геологи впоследствии добавили метасоматоз , циркуляцию жидкостей через погребенную породу, к списку процессов, которые способствуют метаморфизму. Однако метаморфизм может происходить без метасоматоза ( изохимический метаморфизм ) или на глубине всего нескольких сотен метров, где давление относительно низкое (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)
Метасоматизм может изменить основной состав породы. Горячие флюиды, циркулирующие через поровое пространство в породе, могут растворять существующие минералы и осаждаться новые минералы. Растворенные вещества выносятся из породы флюидами, в то время как новые вещества приносятся свежими флюидами. Это, очевидно, может изменить минеральный состав породы. [10]
Однако изменения в минеральном составе могут происходить даже тогда, когда основной состав породы не меняется. Это возможно, поскольку все минералы стабильны 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 идентичный состав, Al2SiO5 . Аналогично , форстерит стабилен в широком диапазоне давления и температуры в мраморе , но превращается в пироксен при повышенном давлении и температуре в более богатой силикатом породе, содержащей плагиоклаз , с которым форстерит химически реагирует. [11]
Многие сложные высокотемпературные реакции могут происходить между минералами без их плавления, и каждая полученная минеральная ассоциация указывает на температуры и давления 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 перекристаллизацией . Например, мелкие кристаллы кальцита в осадочной породе известняк и мел превращаются в более крупные кристаллы в метаморфической породе мрамор . [12] В метаморфизованном песчанике перекристаллизация исходных зерен кварцевого песка приводит к образованию очень плотного кварцита, также известного как метакварцит, в котором часто более крупные кристаллы кварца сцеплены между собой. [13] Как высокие температуры, так и давления способствуют перекристаллизации. Высокие температуры позволяют атомам и ионам в твердых кристаллах мигрировать, тем самым реорганизуя кристаллы, в то время как высокие давления вызывают растворение кристаллов внутри породы в точке их контакта. [14]
Метаморфические породы характеризуются своим особым 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 . Примерами являются силлиманит , кианит , ставролит , андалузит и некоторые гранаты . [15]
Другие минералы, такие как оливины , пироксены , роговая обманка , слюды , полевые шпаты и кварц , могут быть найдены в метаморфических породах, но не обязательно являются результатом процесса метаморфизма. Эти минералы также могут образовываться во время кристаллизации магматических пород. Они стабильны при высоких температурах и давлениях и могут оставаться химически неизменными во время метаморфического процесса. [16]
Метаморфические породы обычно более грубокристалличны, чем протолит, из которого они образовались. Атомы внутри кристалла окружены устойчивым расположением соседних атомов. Это частично отсутствует на поверхности кристалла, создавая поверхностную энергию , которая делает поверхность термодинамически нестабильной. Рекристаллизация в более грубые кристаллы уменьшает площадь поверхности и, таким образом, минимизирует поверхностную энергию. [17]
Хотя укрупнение зерен является обычным результатом метаморфизма, сильно деформированная порода может устранить энергию деформации путем перекристаллизации в мелкозернистую породу, называемую милонитом . Некоторые виды пород, такие как те, которые богаты кварцем, карбонатными минералами или оливином, особенно склонны к образованию милонитов, в то время как полевой шпат и гранат устойчивы к милонитизации. [18]
Многие виды метаморфических пород демонстрируют характерную слоистость, называемую фолиацией (происходит от латинского слова folia , что означает «листья»). Слоистость развивается, когда порода укорачивается вдоль одной оси во время перекристаллизации. Это заставляет кристаллы пластинчатых минералов, таких как слюда и хлорит , поворачиваться таким образом, что их короткие оси параллельны направлению укорочения. Это приводит к образованию полосчатой или слоистой породы, полосы которой показывают цвета минералов, которые их образовали. Слоистая порода часто развивает плоскости спайности . Сланец является примером слоистой метаморфической породы, происходящей из сланца , и он обычно показывает хорошо развитую спайность, которая позволяет сланцу разделяться на тонкие пластины. [19]
Тип формирующейся фолиации зависит от степени метаморфизма. Например, начиная с аргиллита , с повышением температуры развивается следующая последовательность: аргиллиты сначала преобразуются в сланец, который является очень мелкозернистой, слоистой метаморфической породой, характерной для очень низкого уровня метаморфизма. Сланец, в свою очередь, преобразуется в филлит , который является мелкозернистым и встречается в областях низкого уровня метаморфизма. Сланец является средне- или крупнозернистым и встречается в областях среднего уровня метаморфизма. Высокоградусный метаморфизм преобразует породу в гнейс , который является грубо- или очень крупнозернистым. [20]
Породы, которые подвергались равномерному давлению со всех сторон, или те, в которых отсутствуют минералы с характерными привычками роста, не будут слоистыми. Мрамор не содержит пластинчатых минералов и, как правило, не слоист, что позволяет использовать его в качестве материала для скульптуры и архитектуры.
Метаморфические породы являются одним из трех основных подразделений всех типов пород, и поэтому существует большое разнообразие типов метаморфических пород. В общем, если протолит метаморфической породы может быть определен, порода описывается путем добавления префикса meta- к названию протолитовой породы. Например, если известно, что протолит является базальтом , порода будет описана как метабазальт. Аналогично, метаморфическая порода, протолит которой, как известно, является конгломератом, будет описана как метаконгломерат . Для того, чтобы метаморфическая порода была классифицирована таким образом, протолит должен быть идентифицирован по характеристикам самой метаморфической породы, а не выведен из другой информации. [21] [22] [23]
Согласно системе классификации Британской геологической службы , если все, что можно определить о протолите, это его общий тип, такой как осадочный или вулканический, классификация основана на минеральном режиме (объемном проценте различных минералов в породе). Метаосадочные породы делятся на богатые карбонатами породы (метакарбонаты или кальциевые силикатные породы) или бедные карбонатами породы, а последние далее классифицируются по относительному содержанию слюды в их составе. Это варьируется от псаммита с низким содержанием слюды через полупелит до пелита с высоким содержанием слюды . Псаммиты, состоящие в основном из кварца, классифицируются как кварцит. Метаизгнанные породы классифицируются аналогично изверженным породам по содержанию кремнезема , от метаультрамафитовых пород (с очень низким содержанием кремнезема) до метафельзовых пород (с высоким содержанием кремнезема). [22]
Если минеральный режим не может быть определен, как это часто бывает, когда порода впервые исследуется в полевых условиях , то классификация должна основываться на текстуре. Текстурные типы следующие:
Роговик — это гранофель, который, как известно, является результатом контактного метаморфизма. Сланец — это мелкозернистая метаморфическая порода, которая легко расщепляется на тонкие пластины, но не показывает очевидной слоистости состава. Термин используется только тогда, когда о породе известно очень мало, что позволило бы провести более определенную классификацию. Текстурные классификации могут иметь префикс, указывающий на осадочный протолит ( пара- , например, парасланец) или магматический протолит ( орто- , например, ортогнейс). Когда о протолите ничего не известно, текстурное название используется без префикса. Например, сланец — это порода со сланцевой текстурой, протолит которой не определен. [22]
Специальные классификации существуют для метаморфических пород с вулканокластическим протолитом или образованных вдоль разлома или посредством гидротермальной циркуляции . Несколько специальных названий используются для пород с неизвестным протолитом, но известным модальным составом, таких как мрамор, эклогит или амфиболит . [22] Специальные названия могут также применяться в более общем плане к породам, в которых преобладает один минерал или которые имеют отличительный состав, моду или происхождение. Специальные названия, которые все еще широко используются, включают амфиболит, зеленый сланец , филлит, мрамор, серпентинит , эклогит, мигматит , скарн , гранулит , милонит и сланец. [23]
Базовая классификация может быть дополнена терминами, описывающими содержание минералов или текстуру. Например, метабазальт, показывающий слабую сланцеватость, может быть описан как гнейсовый метабазальт, а пелит, содержащий обильный ставролит, может быть описан как ставролитовый пелит. [22] [23]
Метаморфическая фация — это набор отличительных ассоциаций минералов, которые встречаются в метаморфической породе, образовавшейся при определенном сочетании давления и температуры. Конкретная ассоциация 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 метаморфическая порода с максимально широким диапазоном составов может быть отнесена к определенной фации. Настоящее определение метаморфической фации во многом основано на работе финского геолога Пентти Эсколы с уточнениями, основанными на последующей экспериментальной работе. Эскола опирался на зональные схемы, основанные на индексных минералах, которые были впервые предложены британским геологом Джорджем Барроу . [24]
Метаморфическая фация обычно не учитывается при классификации метаморфических пород на основе протолита, минерального режима или текстуры. Однако несколько метаморфических фаций производят породу с таким отличительным характером, что название фации используется для породы, когда более точная классификация невозможна. Главными примерами являются амфиболит и эклогит . Британская геологическая служба настоятельно не рекомендует использовать гранулит в качестве классификации пород, метаморфизованных в гранулитовую фацию. Вместо этого такие породы часто классифицируются как гранофельс. [22] Однако этот подход не является общепринятым. [23]
Метаморфические породы составляют большую часть земной коры и образуют 12% поверхности суши Земли. [2] Нижняя континентальная кора в основном состоит из метамафитовых пород и пелита, которые достигли гранулитовой фации . Средняя континентальная кора представлена метаморфическими породами, которые достигли амфиболитовой фации. [25] В верхней коре, которая является единственной частью земной коры, которую геологи могут непосредственно пробовать, метаморфические 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 относительно локальны по своему распространению и обычно достигают только фаций низкого давления, таких как роговики и санидинитовые фации . Большинство метаморфических пород образовано региональным метаморфизмом в средней и нижней коре, где порода достигает метаморфических фаций более высокого давления. Эта порода встречается на поверхности только там, где обширный подъем и эрозия обнажили породу, которая раньше находилась гораздо глубже в земной коре. [26]
Метаморфические породы широко представлены в орогенных поясах , образованных столкновением тектонических плит на конвергентных границах . Здесь ранее глубоко залегающие породы были вынесены на поверхность в результате подъема и эрозии. [27] Метаморфические породы, обнаженные в орогенных поясах, могли быть метаморфизованы просто находясь на большой глубине под поверхностью Земли, подвергаясь воздействию высоких температур и большого давления, вызванного огромным весом слоев породы выше. Этот вид регионального метаморфизма известен как метаморфизм захоронения . Он имеет тенденцию производить низкосортные метаморфические породы. [28] Гораздо более распространены метаморфические породы, образованные в процессе самого столкновения. [29] Столкновение плит вызывает высокие температуры, давления и деформации в породах вдоль этих поясов. [30] Метаморфические породы, образованные в этих условиях, имеют тенденцию показывать хорошо развитую сланцеватость. [29]
Метаморфические породы орогенных поясов демонстрируют разнообразие метаморфических фаций. Там, где происходит субдукция , базальт субдуцирующей плиты метаморфизуется в метаморфические фации высокого давления. Сначала он претерпевает низкосортный метаморфизм в метабазальт цеолитовой и пренит-пумпеллиитовой фаций , но по мере того, как базальт субдуцируется на большие глубины, он метаморфизуется в фацию голубого сланца , а затем в фацию эклогита . Метаморфизм в фацию эклогита высвобождает большое количество водяного пара из породы, что стимулирует вулканизм в вышележащей вулканической дуге . Эклогит также значительно плотнее голубого сланца, что стимулирует дальнейшую субдукцию плиты глубоко в мантию Земли . Метабазальт и голубой сланец могут сохраняться в метаморфических поясах голубого сланца, образованных столкновениями между континентами. Они также могут сохраняться путем обдукции на перекрывающей плите как часть офиолитов . [31] Эклогиты иногда встречаются в местах столкновения континентов, где субдуцированная порода быстро возвращается на поверхность, прежде чем она может быть преобразована в гранулитовую фацию в горячей верхней мантии. Многие образцы эклогита представляют собой ксенолиты, вынесенные на поверхность вулканической активностью. [32]
Многие орогенные пояса содержат метаморфические пояса с более высокой температурой и низким давлением. Они могут образовываться посредством нагревания породы восходящей магмой вулканических дуг, но в региональном масштабе. Деформация и утолщение земной коры в орогенном поясе также могут производить эти виды метаморфических пород. Эти породы достигают фации зеленых сланцев , амфиболитов или гранулитов и являются наиболее распространенными из метаморфических пород, полученных в результате регионального метаморфоза. Ассоциация внешней метаморфической зоны с высоким давлением и низкой температурой с внутренней зоной метаморфических пород с низким давлением и высокой температурой называется парным метаморфическим поясом . Главные острова Японии показывают три отдельных парных метаморфических пояса, соответствующих различным эпизодам субдукции. [33] [34]
Метаморфические породы также обнажаются в комплексах метаморфических ядер , которые формируются в области растяжения земной коры. Они характеризуются пологими сбросами, которые обнажают купола средней или нижней коры метаморфических пород. Они были впервые обнаружены и изучены в провинции Бассейна и Хребта на юго-западе Северной Америки, [35], но также встречаются в южной части Эгейского моря , на островах Д'Антркасто и в других областях растяжения. [36]
Континентальные щиты — это регионы обнаженных древних пород, которые составляют стабильные ядра континентов. Породы, обнаженные в самых старых регионах щитов, которые имеют архейский возраст (более 2500 миллионов лет), в основном принадлежат к гранитно-зеленокаменным поясам. Зеленокаменные пояса содержат метавулканические и метаосадочные породы, которые подверглись относительно мягкой степени метаморфизма при температурах 350–500 °C (662–932 °F) и давлениях 200–500 МПа (2000–5000 бар). Их можно разделить на нижнюю группу метабазальтов, включая редкие метакоматииты ; среднюю группу мета-промежуточных пород и мета-кислых пород; и верхнюю группу метаосадочных пород. [37]
Зеленокаменные пояса окружены высокосортными гнейсовыми ландшафтами, демонстрирующими сильно деформированный метаморфизм низкого давления и высокой температуры (более 500 °C (932 °F)) в амфиболитовые или гранулитовые фации. Они образуют большую часть обнаженных пород в архейских кратонах. [37]
Гранитно-зеленокаменные пояса прорваны отличительной группой гранитных пород, называемых тоналит - трондьемит - гранодиорит или TTG-свитой. Это самые объемные породы в кратоне, которые могут представлять важную раннюю фазу в формировании континентальной коры. [37]
Срединно-океанические хребты — это места, где формируется новая океаническая кора , поскольку тектонические плиты расходятся. Здесь широко распространен гидротермальный метаморфизм. Он характеризуется метасоматозом, который осуществляется горячими флюидами, циркулирующими через породу. Это приводит к образованию метаморфической породы зеленосланцевой фации. Метаморфическая порода, серпентинит , особенно характерна для этих условий и представляет собой химическое преобразование оливина и пироксена в ультраосновной породе в минералы группы серпентина . [38] [29]
Контактный метаморфизм происходит, когда магма внедряется в окружающую твердую породу ( вмещающую породу ). [29] Изменения, которые происходят, являются наибольшими везде, где магма вступает в контакт с породой, потому что температуры самые высокие на этой границе и уменьшаются с расстоянием от нее. Вокруг магматической породы, которая образуется из остывающей магмы, находится метаморфизованная зона, называемая контактным ореолом . Ореолы могут показывать все степени метаморфизма от области контакта до неметаморфизованной (неизмененной) вмещающей породы 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 достигать ширины в несколько километров. [40]
Термин роговик часто используется геологами для обозначения мелкозернистых, плотных, нелистоватых продуктов контактного метаморфизма. [41] Контактный ореол обычно показывает небольшую деформацию, и поэтому роговик обычно лишен сланцеватости и образует прочную, равномерно зернистую породу. Если порода изначально была полосчатой или листоватой (как, например, слоистый песчаник или листоватый известковый сланец ) , эта характеристика может не исчезнуть, и продуктом является полосчатый роговик. [41] Контактный метаморфизм близко к поверхности производит отличительные метаморфические минералы низкого давления, [29] такие как шпинель , андалузит, везувиан или волластонит . [42]
Подобные изменения могут быть вызваны в сланцах сжиганием угольных пластов. [41] Это приводит к образованию породы, называемой клинкером . [43]
Существует также тенденция к метасоматизму между магматической магмой и осадочной вмещающей породой, в результате чего химические вещества в каждой из них обмениваются или внедряются в другую. В этом случае возникают гибридные породы, называемые скарнами . [41] [44]
Динамический (катакластический) метаморфизм происходит локально вдоль разломов . Здесь интенсивное смещение породы обычно приводит к образованию милонитов. [29]
Метаморфизм удара отличается от других форм метаморфизма тем, что он происходит во время ударных событий внеземных тел. Он производит 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 плитка используется в строительстве, в частности, в качестве кровельной черепицы. [3]
Кварцит достаточно твердый и плотный, поэтому его трудно добывать. Однако некоторое количество кварцита используется как блочный камень , часто в качестве плит для пола, стен или ступеней лестниц. 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]
Сланцеватая коренная порода может представлять собой проблему для гражданского строительства из-за ее выраженных плоскостей слабости. [7] Опасность может существовать даже на нетронутой местности. 17 августа 1959 года землетрясение магнитудой 7,2 дестабилизировало горный склон около озера Хебген , штат Монтана, состоящий из сланца. Это вызвало огромный оползень, в результате которого погибло 26 человек, разбивших лагерь в этом районе. [48]
Метаморфизованная ультраосновная порода содержит минералы группы серпентина, включающие в себя разновидности асбеста , представляющие опасность для здоровья человека. [49]
белый мрамор ценится за использование для изготовления скульптур.
