Метасоматоз (от греческого μετά metá «изменение» и σῶμα sôma «тело») — химическое изменение горных пород под действием гидротермальных и других флюидов. [1] Традиционно его определяют как метаморфизм, который предполагает изменение химического состава, исключая летучие компоненты. [2] Это замена одной породы другой, различного минералогического и химического состава. Минералы, слагающие породы, растворяются и на их месте отлагаются новые минеральные образования. Растворение и отложение происходят одновременно, и порода остается твердой.
Синонимами слова метасоматоз являются метасоматоз [3] и метасоматический процесс . Слово метасоматоз может использоваться как название конкретных разновидностей метасоматоза (например, Mg -метасоматоз и Na -метасоматоз ). [4]
Метасоматоз может происходить под действием гидротермальных жидкостей из магматического или метаморфического источника.
В магматической среде метасоматоз создает скарны , грейзены и может поражать роговики в контактном метаморфическом ореоле , примыкающем к интрузивному массиву горных пород . В метаморфической среде метасоматоз создается путем переноса массы из объема метаморфической породы с более высоким напряжением и температурой в зону с более низким напряжением и температурой, при этом метаморфические гидротермальные растворы действуют как растворитель . Это можно представить, поскольку метаморфические породы в глубокой коре теряют жидкости и растворенные минеральные компоненты по мере разрушения водных минералов, при этом эта жидкость просачивается вверх в неглубокие уровни коры, чтобы химически изменить и изменить эти породы.
Этот механизм подразумевает, что метасоматоз представляет собой поведение открытой системы, которое отличается от классического метаморфизма , который представляет собой минералогическое изменение породы на месте без заметных изменений в ее химическом составе. Поскольку для метаморфизма обычно требуется вода , чтобы облегчить метаморфические реакции, метаморфизм почти всегда происходит с метасоматозом.
Кроме того, поскольку метасоматоз представляет собой процесс массопереноса, он не ограничивается горными породами, которые изменяются в результате добавления химических элементов , минералов или водных соединений . Во всех случаях для образования метасоматической породы метасоматизируется и другая порода, хотя бы в результате реакций дегидратации с минимальными химическими изменениями. Лучше всего это иллюстрируется месторождениями золотых руд , которые являются продуктом целенаправленной концентрации флюидов, извлеченных из многих кубических километров обезвоженной коры, в тонкие, часто сильно метасоматизированные и измененные зоны сдвига и залежи . Исходная область часто в значительной степени химически незатронута по сравнению с сильно гидратированными измененными зонами сдвига, но обе они, должно быть, подверглись дополнительному метасоматозу.
Метасоматоз более сложен в мантии Земли , поскольку состав перидотита при высоких температурах может меняться за счет инфильтрации карбонатных и силикатных расплавов, а также флюидов, богатых углекислым газом и водой, как обсуждалось Лутом (2003). [5] Считается, что метасоматоз особенно важен для изменения состава мантийного перидотита под островными дугами , поскольку вода вытесняется из океанской литосферы во время субдукции . Метасоматоз также считается критически важным для обогащения источников некоторых магм , недонасыщенных кремнеземом . Карбонатитовые расплавы часто считают ответственными за обогащение мантийного перидотита несовместимыми элементами .
Метасоматоз может быть сходен с другими эндогенными процессами и выделяется 4 основными признаками. [6] Первым из них является ионная замена в минералах . Это может происходить в результате осаждения новых минералов одновременно с растворением существующих минералов. [6] Второй признак, используемый для выявления метасоматоза, заключается в том, что он обусловлен сохранением горных пород в твердом состоянии при замещении. [6] Третья отличительная особенность связана с изохимическим метаморфизмом, то есть добавлением или удалением основных элементов, кроме воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2 ). [6] Последняя особенность — четко выраженные зоны метасоматоза. Они образуются в результате магматизма и метаморфизма и образуют характерный рисунок метасоматической колонны. [6]
Метасоматические породы могут быть чрезвычайно разнообразными. Часто метасоматизированные породы сильно, но слабо изменены , так что единственным свидетельством изменения является обесцвечивание, изменение цвета или изменение кристалличности слюдистых минералов.
В таких случаях для характеристики изменений часто требуется микроскопическое исследование минерального комплекса пород для характеристики минералов, любого дополнительного роста минералов, изменений в минералах протолита и так далее.
В некоторых случаях можно обнаружить геохимические свидетельства процессов метасоматических изменений. Обычно это подвижные растворимые элементы, такие как барий , стронций , рубидий , кальций и некоторые редкоземельные элементы . Однако, чтобы правильно охарактеризовать изменение, необходимо сравнить измененные и неизмененные образцы.
Когда процесс становится крайне запущенным, типичными метасоматитами могут быть:
Эффекты метасоматоза в мантийных перидотитах могут быть как модальными, так и загадочными. При скрытом метасоматозе изменяются минеральные составы или привнесенные элементы концентрируются по границам зерен, а минералогия перидотита остается неизменной. При модальном метасоматозе образуются новые минералы.
Скрытый метасоматоз может быть вызван взаимодействием поднимающихся или просачивающихся расплавов с окружающим перидотитом, при этом составы как расплавов, так и перидотита изменяются. При высоких температурах мантии диффузия в твердом состоянии также может быть эффективной для изменения состава горных пород на расстоянии десятков сантиметров, прилегающих к каналам расплава: градиенты минерального состава, прилегающие к дайкам пироксенита , могут сохранять свидетельства этого процесса.
Модальный метасоматоз может привести к образованию амфибола и флогопита , а присутствие этих минералов в ксенолитах перидотита считается убедительным свидетельством метасоматических процессов в мантии. Образование менее распространенных в перидотите минералов, таких как доломит , кальцит , ильменит , рутил и армалколит , также объясняется расплавным или флюидным метасоматозом.
Обсуждаются две основные схемы проявления метасоматоза в природе в гранитных системах. [9] Диффузный метасоматоз, упомянутый в разделе «Типы метасоматитов», и инфильтрационный метасоматоз. Инфильтрация происходит в трещинах или трещинах, которые способствуют течению жидкости в областях с высокой проницаемостью. [9] Диффузия происходит, когда жидкость попадает в поры породы, это определяется пористостью . Породы, измененные инфильтрационным метасоматозом, будут менее изменены, чем породы, измененные диффузией, из-за эффектов дисперсии при адвекции флюидов. [10]
Эти два метода обычно используются для транспортировки из одного региона в другой. Эти затронутые области могут быть как обогащены, так и обеднены компонентами, транспортируемыми относительно преметасоматического состояния. [11] Химическое выветривание сильно влияет на уровни и содержание метасоматической жидкости, а также на геохимию и минералогию основных элементов кремнеобломочных отложений. [12]
Исследование измененных пород гидротермальных рудных месторождений выявило несколько повсеместных типов гидротермальных комплексов , которые создают отдельные группы эффектов метасоматических изменений, текстур и минеральных комплексов.
Более редкие типы гидротермальных флюидов могут включать высокоуглеродистые флюиды, приводящие к развитым реакциям карбонизации вмещающих пород, типичным для известково-силикатов , и кремнеземно-гематитовые флюиды, приводящие к образованию яшпероидов , месторождений манто-руд и распространенных зон окремнения , обычно в доломитовых пластах . . Напряженные минералы и вмещающие породы гранитных плутонов замещаются порфиробластами ортоклаза и кварца, в кварцевых монцонитах Папус-Флэт. [14]