stringtranslate.com

Метаморфизм

Схематическое изображение метаморфической реакции . Сокращения минералов: акт = актинолит ; хл = хлорит ; эп = эпидот ; гт = гранат ; хбл = роговая обманка ; плагиоклаз . Два минерала, представленные на рисунке, не участвуют в реакции, это могут быть кварц и калиевый полевой шпат . Эта реакция происходит в природе, когда основная порода переходит из амфиболитовой фации в фацию зеленых сланцев .
Кросс -поляризованное тонкое срезовое изображение граната - слюды - сланца из муниципалитета Саланген , Норвегия, показывающее сильную деформационную структуру сланцев. Черный кристалл - гранат, розово-оранжево-желтые нити - мусковитовая слюда, а коричневые кристаллы - биотитовая слюда. Серые и белые кристаллы - кварц и (ограниченное) полевой шпат .

Метаморфизм — это преобразование существующей породы ( протолита ) в породу с другим минеральным составом или текстурой . Метаморфизм происходит при температурах свыше 150 °C (300 °F), а также часто при повышенном давлении или в присутствии химически активных жидкостей, но порода остается в основном твердой во время преобразования. [1] Метаморфизм отличается от выветривания или диагенеза , которые представляют собой изменения, происходящие на поверхности Земли или непосредственно под ней. [2]

Существуют различные формы метаморфизма, включая региональный , контактный , гидротермальный , ударный и динамический метаморфизм. Они различаются по характерным температурам, давлениям и скорости, при которых они происходят, а также по степени вовлеченности реактивных флюидов. Метаморфизм, происходящий при повышении давления и температуры, известен как прогрессивный метаморфизм , в то время как понижение температуры и давления характеризует ретроградный метаморфизм .

Метаморфическая петрология — это изучение метаморфизма. Метаморфические петрологи в значительной степени полагаются на статистическую механику и экспериментальную петрологию для понимания метаморфических процессов.

Метаморфические процессы

(Слева) Беспорядочно ориентированные зерна в породе до метаморфизма. (Справа) Зерна выстраиваются перпендикулярно приложенному напряжению , если порода подвергается напряжению во время метаморфизма.

Метаморфизм — это набор процессов, посредством которых 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 признана 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. [3]

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 и без метасоматоза (изохимический метаморфизм) или на глубине всего нескольких сотен метров, где давление относительно низкое (например, при контактном метаморфизме). [3]

Порода может быть преобразована без плавления, поскольку тепло вызывает разрыв атомных связей, освобождая атомы для перемещения и образования новых связей с другими атомами . Поровая жидкость, присутствующая между минеральными зернами, является важной средой, через которую происходит обмен атомами. [4] Это позволяет перекристаллизовать существующие минералы или кристаллизовать новые минералы с различными кристаллическими структурами или химическим составом (неокристаллизация). [1] Преобразование преобразует минералы в протолите в формы, которые более стабильны (ближе к химическому равновесию ) в условиях давления и температуры, при которых происходит метаморфизм. [5] [6]

Обычно считается, что метаморфизм начинается при температурах от 100 до 200 °C (от 212 до 392 °F). Это исключает диагенетические изменения, вызванные уплотнением и литификацией , которые приводят к образованию осадочных пород. [7] Верхняя граница метаморфических условий лежит на солидусе породы, который является температурой, при которой порода начинает плавиться. В этой точке процесс становится магматическим процессом. [8] Температура солидуса зависит от состава породы, давления и того, насыщена ли порода водой. Типичные температуры солидуса колеблются от 650 °C (1202 °F) для влажного гранита при давлении в несколько сотен мегапаскалей (МПа) [9] до примерно 1080 °C (1980 °F) для влажного базальта при атмосферном давлении. [10] Мигматиты — это породы, образовавшиеся на этом верхнем пределе, которые содержат стручки и жилы материала, который начал плавиться, но не полностью отделился от огнеупорного остатка. [11]

Метаморфический процесс может происходить практически при любом давлении, от давления вблизи поверхности (для контактного метаморфизма) до давлений, превышающих 16 кбар (1600 МПа). [12]

Перекристаллизация

Образец базальтовой руки, показывающий тонкую текстуру
Амфиболит, образованный метаморфизмом базальта, имеющий грубую текстуру.

Изменение размера и ориентации зерен в породе в процессе метаморфизма называется перекристаллизацией . Например, мелкие кристаллы кальцита в осадочных породах известняке и меле превращаются в более крупные кристаллы в метаморфической породе мраморе . [13] В метаморфизованном песчанике перекристаллизация исходных зерен кварцевого песка приводит к образованию очень компактного кварцита , также известного как метакварцит, в котором часто более крупные кристаллы кварца сцеплены между собой. [14] 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 точках их контакта ( растворение под давлением ) и повторное осаждение в поровом пространстве. [15]

В процессе перекристаллизации идентичность минерала не меняется, меняется только его текстура. Перекристаллизация обычно начинается, когда температура достигает более половины точки плавления минерала по шкале Кельвина . [16]

Растворение под давлением начинается во время диагенеза (процесса литификации осадков в осадочную породу), но завершается на ранних стадиях метаморфизма. Для протолита песчаника разделительная линия между диагенезом и метаморфизмом может быть помещена в точку, где напряженные зерна кварца начинают заменяться новыми, ненапряженными, мелкими зернами кварца, создавая текстуру раствора , которую можно определить в тонких срезах под поляризационным микроскопом. С увеличением степени метаморфизма дальнейшая перекристаллизация создает пенистую текстуру , характеризующуюся полигональными зернами, встречающимися в тройных стыках, а затем порфиробластическую текстуру , характеризующуюся грубыми, нерегулярными зернами, включая некоторые более крупные зерна ( порфиробласты ). [17]

Милонит (через петрографический микроскоп )

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. [18]

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. [19]

Изменение фазы

Фазовый метаморфизм — это создание нового минерала с той же химической формулой, что и у минерала протолита. Это включает в себя перегруппировку атомов в кристаллах. Примером служат минералы алюмосиликата , кианит , андалузит и силлиманит . Все три имеют идентичный состав, Al 2 SiO 5 . Кианит стабилен в поверхностных условиях. Однако при атмосферном давлении 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). При давлении выше примерно 4 кбар (400 МПа) кианит превращается непосредственно в силлиманит по мере повышения температуры. [20] Подобный фазовый переход иногда наблюдается между кальцитом и арагонитом , при этом кальцит превращается в арагонит при повышенном давлении и относительно низкой температуре. [21]

Неокристаллизация

Неокристаллизация включает в себя создание новых минеральных кристаллов, отличных от протолита. Химические реакции переваривают минералы протолита, что дает новые минералы. Это очень медленный процесс, поскольку он также может включать в себя диффузию атомов через твердые кристаллы. [22]

Примером реакции неокристаллизации является реакция фаялита с плагиоклазом при повышенном давлении и температуре с образованием граната . Реакция выглядит следующим образом: [23]

Многие сложные высокотемпературные реакции могут происходить между минералами без их плавления, и каждая полученная минеральная ассоциация дает нам ключ к пониманию температур и давлений 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. [4]

Особенно важной группой реакций неокристаллизации являются те, которые высвобождают летучие вещества , такие как вода и углекислый газ . Во время метаморфизма базальта в эклогит в зонах субдукции , водные минералы распадаются, производя обильное количество воды. [24] Вода поднимается в вышележащую мантию, где она понижает температуру плавления мантийной породы, генерируя магму посредством плавления флюса . [25] Магмы, полученные из мантии, в конечном итоге могут достичь поверхности Земли, что приводит к вулканическим извержениям. Образующиеся дуговые вулканы, как правило, производят опасные извержения, потому что их высокое содержание воды делает их чрезвычайно взрывоопасными. [26]

Примеры реакций дегидратации , в результате которых выделяется вода, включают: [27]

Пример реакции декарбонизации: [28]

Пластическая деформация

При пластической деформации к протолиту прикладывается давление , которое заставляет его сдвигаться или изгибаться, но не ломаться. Для того чтобы это произошло, температура должна быть достаточно высокой, чтобы не возникало хрупких изломов, но не настолько высокой, чтобы происходила диффузия кристаллов. [22] Как и в случае с растворением под давлением, ранние стадии пластической деформации начинаются во время диагенеза. [29]

Типы

Региональный

Региональный метаморфизм — это общий термин для метаморфизма, который затрагивает целые регионы земной коры. [30] Чаще всего он относится к динамотермальному метаморфизму , который происходит в орогенных поясах (регионах, где происходит горообразование ), [31] но также включает метаморфизм захоронения , который является результатом простого захоронения горных пород на большой глубине под поверхностью Земли в оседающем бассейне. [32] [33]

Динамотермальный

Метаморфическая порода, деформированная во время варисского орогенеза , в Валь-де-Кардос , Лерида , Испания.

Для многих геологов региональный метаморфизм практически является синонимом динамотермального метаморфизма. [30] Эта форма метаморфизма происходит на конвергентных границах плит , где сталкиваются две континентальные плиты или континентальная плита и островная дуга . Зона столкновения становится поясом горообразования , называемым орогенезом . Орогенический пояс характеризуется утолщением земной коры, в ходе которого глубоко залегающие породы земной коры подвергаются воздействию высоких температур и давлений и интенсивно деформируются. [33] [34] Последующая эрозия гор обнажает корни орогенного пояса в виде обширных выходов метаморфических пород, [35] характерных для горных цепей. [33]

Метаморфическая порода, образованная в этих условиях, как правило, показывает хорошо развитую сланцеватость . [33] Слоистость развивается, когда порода укорачивается вдоль одной оси во время метаморфизма. 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. [36]

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. [37]

Камни, 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.

Коллизионным орогенезам предшествует субдукция океанической коры. [38] Условия внутри субдуцирующей плиты, когда она погружается в мантию в зоне субдукции, производят свои собственные отличительные региональные метаморфические эффекты , характеризующиеся парными метаморфическими поясами . [39]

Новаторская работа Джорджа Барроу по региональному метаморфизму в Шотландском нагорье показала, что некоторые региональные метаморфизмы создают четко определенные, картируемые зоны возрастающей степени метаморфизма. Этот барровийский метаморфизм является наиболее признанной метаморфической серией в мире. Однако барровийский метаморфизм специфичен для пелитовых пород, образованных из аргиллита или алеврита , и он не является уникальным даже для пелитовых пород. Другая последовательность на северо-востоке Шотландии определяет метаморфизм Бьюкена , который имел место при более низком давлении, чем барровийский. [40]

Похороны

Кварцит сиу, продукт метаморфизма захоронения

Метаморфизм захоронения происходит просто через захоронение породы на большой глубине под поверхностью Земли в опускающемся бассейне. [33] Здесь порода подвергается воздействию высоких температур и большого давления, вызванного огромным весом слоев породы выше. Метаморфизм захоронения имеет тенденцию производить низкосортную метаморфическую породу. Это не показывает никаких эффектов деформации и складчатости, столь характерных для динамотермального метаморфизма. [41]

Примерами метаморфических пород, образованных метаморфизмом захоронения, являются некоторые породы рифтовой системы Мидконтинента Северной Америки, такие как кварциты су [42] и в бассейне Хамерсли в Австралии. [43]

Контакт

Метаморфический ореол в горах Генри, штат Юта. Сероватая порода наверху — это магматическая интрузия, состоящая из порфирового гранодиорита из лакколита гор Генри , а розоватая порода внизу — осадочная вмещающая порода, алеврит. Между ними виден метаморфизованный алеврит как темный слой (толщиной около 5 см) и бледный слой под ним.

Контактный метаморфизм обычно происходит вокруг интрузивных магматических пород в результате повышения температуры, вызванного внедрением магмы в более холодную вмещающую породу . Область вокруг интрузии, где присутствуют эффекты контактного метаморфизма, называется метаморфическим ореолом , [44] контактным ореолом или просто ореолом. [45] Контактные метаморфические породы обычно известны как роговики . Породы, образованные контактным метаморфизмом, могут не иметь признаков сильной деформации и часто являются мелкозернистыми [46] [47] и чрезвычайно прочными. [48] Мрамор Юля, используемый на внешней стороне Мемориала Линкольна и Могиле Неизвестного солдата на Арлингтонском национальном кладбище, был образован контактным метаморфизмом. [49]

Контактный метаморфизм сильнее вблизи интрузии и рассеивается с расстоянием от контакта. [50] Размер ореола зависит от тепла интрузии, ее размера и разницы температур с окружающими породами. Дайки обычно имеют небольшие ореолы с минимальным метаморфизмом, простирающиеся не более чем на одну или две толщины дайки в окружающую породу, [51] тогда как ореолы вокруг батолитов могут быть шириной до нескольких километров. [52] [53]

Метаморфическая степень ореола измеряется пиковым метаморфическим минералом, который образуется в ореоле. Обычно это связано с метаморфическими температурами пелитовых или алюмосиликатных пород и минералами, которые они образуют. Метаморфические степени ореолов на небольшой глубине - это альбит - эпидотовые роговики, роговообманковые роговики, пироксеновые роговики и силлиманитовые роговики, в порядке возрастания температуры образования. Однако альбит-эпидотовые роговики часто не образуются, хотя это самая низкая температурная степень. [54]

Магматические флюиды, поступающие из интрузивной породы, также могут принимать участие в метаморфических реакциях . Обширное добавление магматических флюидов может значительно изменить химию затронутых пород. В этом случае метаморфизм переходит в метасоматоз . Если внедренная порода богата карбонатом , результатом является скарн . [55] Богатые фтором магматические воды, которые оставляют остывающий гранит, часто могут образовывать грейзены внутри и рядом с контактом гранита. [56] Метасоматически измененные ореолы могут локализовать отложение металлических рудных минералов и, таким образом, представляют экономический интерес. [57] [58]

Fenitization , или Na-метасоматизм , является отличительной формой контактного метаморфизма, сопровождающегося метасоматизмом. Он происходит вокруг интрузий редкого типа магмы, называемой карбонатитом , которая сильно обогащена карбонатами и бедна кремнеземом . Охлаждающиеся тела карбонатитовой магмы выделяют сильнощелочные жидкости, богатые натрием, по мере затвердевания, и горячая, реактивная жидкость заменяет большую часть минерального содержания в ореоле минералами, богатыми натрием. [59]

Особый тип контактного метаморфизма, связанный с пожарами ископаемого топлива, известен как пирометаморфизм . [60] [61]

Гидротермальный

Гидротермальный метаморфизм является результатом взаимодействия породы с высокотемпературной жидкостью переменного состава. Разница в составе между существующей породой и вторгающейся жидкостью запускает ряд метаморфических и метасоматических реакций. Гидротермальная жидкость может быть магматической (возникать из вторгающейся магмы), циркулирующей грунтовой водой или океанской водой. [33] Конвективная циркуляция гидротермальных жидкостей в базальтах океанического днапроизводит обширный гидротермальный метаморфизм, прилегающий к центрам спрединга и другим подводным вулканическим областям. Жидкости в конечном итоге выходят через отверстия на дне океана, известные как черные курильщики . [62] Модели этого гидротермального изменения используются в качестве руководства при поиске месторождений ценных металлических руд. [63]

Шок

Ударный метаморфизм происходит, когда внеземной объект ( например, метеорит ) сталкивается с поверхностью Земли. Ударный метаморфизм, таким образом, характеризуется условиями сверхвысокого давления и низкой температуры. Образующиеся минералы (такие как полиморфы SiO 2 коэсит и стишовит ) и текстуры характерны для этих условий. [64]

Динамичный

Динамический метаморфизм связан с зонами высокой деформации, такими как зоны разломов . [33] В этих средах механическая деформация важнее химических реакций в преобразовании породы. Минералы, присутствующие в породе, часто не отражают условия химического равновесия, а текстуры, созданные динамическим метаморфизмом, более значимы, чем минеральный состав. [65]

Существует три механизма деформации, посредством которых горные породы механически деформируются. Это катаклаз , деформация горных пород посредством разрушения и вращения минеральных зерен; [66] пластическая деформация отдельных минеральных кристаллов; и перемещение отдельных атомов посредством диффузионных процессов. [67] Текстуры динамических метаморфических зон зависят от глубины, на которой они образовались, поскольку температура и ограничивающее давление определяют преобладающие механизмы деформации. [68]

На самых малых глубинах зона разлома будет заполнена различными видами неконсолидированной катакластической породы , такой как выемка или брекчия разлома . На больших глубинах они заменяются консолидированной катакластической породой, такой как дробленая брекчия , в которой более крупные фрагменты породы сцементированы вместе кальцитом или кварцем. На глубинах более 5 километров (3,1 мили) появляются катаклазиты ; это довольно твердые породы, состоящие из дробленых фрагментов породы в кремнистой матрице, которая образуется только при повышенной температуре. На еще больших глубинах, где температура превышает 300 °C (572 °F), пластическая деформация берет верх, и зона разлома состоит из милонита. Милонит отличается своей сильной слоистостью, которая отсутствует в большинстве катакластических пород. [69] Он отличается от окружающей породы более мелким размером зерна. [70]

Имеются весомые доказательства того, что катаклазиты образуются как посредством пластической деформации и перекристаллизации, так и хрупкого разрушения зерен, и что порода может никогда полностью не потерять сцепление в ходе этого процесса. Различные минералы становятся пластичными при разных температурах, причем кварц становится одним из первых, кто становится пластичным, а сдвинутая порода, состоящая из различных минералов, может одновременно демонстрировать как пластическую деформацию, так и хрупкое разрушение. [71]

Скорость деформации также влияет на то, как деформируются породы. Пластичная деформация более вероятна при низких скоростях деформации (менее 10−14 сек − 1 ) в средней и нижней коре, но высокие скорости деформации могут вызвать хрупкую деформацию. При самых высоких скоростях деформации порода может быть так сильно нагрета, что она на короткое время расплавится, образуя стекловидную породу, называемую псевдотахилитом . [72] [73] Псевдотахилиты, по-видимому, ограничены сухими породами, такими как гранулит. [74]

Классификация метаморфических пород

Метаморфические породы классифицируются по их протолиту, если это можно определить по свойствам самой породы. Например, если исследование метаморфической породы показывает, что ее протолит был базальтом, она будет описана как метабазальт. Когда протолит не может быть определен, порода классифицируется по ее минеральному составу или степени ее сланцеватости. [75] [76] [77]

Метаморфические степени

Метаморфическая степень — это неформальное указание количества или степени метаморфизма. [78]

В барровийской последовательности (описанной Джорджем Барроу в зонах прогрессивного метаморфизма в Шотландии) степени метаморфизма также классифицируются по минеральному составу на основе появления ключевых минералов в породах пелитового (сланцевого, глиноземистого) происхождения:

Низкий уровень ------------------- Средний уровень --------------------- Высокий уровень

Зеленый сланец ------------- Амфиболит ----------------------- Гранулит
Сланец --- Филлит ---------- Кристаллический сланец ---------------------- Гнейс --- Мигматит
Зона хлорита
Биотитовая зона
Гранатовая зона
Зона ставролита
Зона кианита
Зона силлиманита

Более полное представление об этой интенсивности или степени дает концепция метаморфических фаций . [78]

Метаморфические фации

Метаморфические фации — это узнаваемые террейны или зоны с набором ключевых минералов, которые находились в равновесии при определенном диапазоне температур и давлений во время метаморфического события. Фации названы в честь метаморфической породы, образованной в условиях этих фаций из базальта . [79]

Конкретная минеральная ассоциация в некоторой степени зависит от состава этого протолита, так что (например) амфиболитовая фация мрамора не будет идентична амфиболитовой фации пеллита. Однако фации определяются таким образом, что метаморфическая порода с максимально широким диапазоном составов может быть отнесена к конкретной фации. Настоящее определение метаморфической фации в значительной степени основано на работе финского геолога Пентти Эсколы в 1921 году с уточнениями, основанными на последующих экспериментальных работах. Эскола опирался на зональные схемы, основанные на индексных минералах, которые были впервые предложены британским геологом Джорджем Барроу . [12]

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. [76] Однако это не является общепринятым. [77]

Температуры и давления метаморфических фаций

Более подробную информацию см. на схеме.

Проградный и ретроградный

Метаморфизм далее делится на прогрессивный и ретроградный метаморфизм . Прогрессивный метаморфизм включает изменение минеральных ассоциаций ( парагенез ) с ростом температуры и (обычно) условий давления. Это реакции дегидратации в твердом состоянии, и они включают потерю летучих веществ, таких как вода или углекислый газ. Прогрессивный метаморфизм приводит к породе, характерной для максимального давления и температуры. Метаморфические породы обычно не претерпевают дальнейших изменений, когда они возвращаются на поверхность. [80]

Ретроградный метаморфизм включает в себя восстановление породы посредством револатизации при понижении температуры (и обычно давления), что позволяет минеральным ассоциациям, образованным при прогрессивном метаморфизме, вернуться к более стабильным в менее экстремальных условиях. Это относительно необычный процесс, поскольку летучие вещества, образующиеся при прогрессивном метаморфизме, обычно мигрируют из породы и не могут рекомбинировать с породой во время охлаждения. Локализованный ретроградный метаморфизм может иметь место, когда трещины в породе обеспечивают путь для проникновения грунтовых вод в остывающую породу. [80]

Равновесные минеральные ассоциации

Петрогенетическая сетка, показывающая границы фаз алюмосиликат-мусковит-кварц-калиевый полевой шпат
Диаграммы совместимости ACF (алюминий-кальций-железо), показывающие фазовые равновесия в метаморфических основных породах при различных PT-условиях (метаморфические фации). Точки представляют минеральные фазы, тонкие серые линии — равновесия между двумя фазами. Сокращения минералов: act = актинолит ; cc = кальцит ; chl = хлорит ; di = диопсид ; ep = эпидот ; glau = глаукофан ; gt = гранат ; hbl = роговая обманка ; ky = кианит ; law = лавсонит ; plag = плагиоклаз ; om = омфацит ; opx = ортопироксен ; zo = цоизит

Метаморфические процессы действуют, чтобы приблизить протолит к термодинамическому равновесию , которое является его состоянием максимальной стабильности. Например, сдвиговое напряжение (негидродинамическое напряжение) несовместимо с термодинамическим равновесием, поэтому сдвинутая порода будет иметь тенденцию деформироваться способами, которые снимают сдвиговое напряжение. [81] Наиболее устойчивая совокупность минералов для породы данного состава — та, которая минимизирует свободную энергию Гиббса [82]

где:

Другими словами, метаморфическая реакция будет иметь место только в том случае, если она снижает общую свободную энергию Гиббса протолита. Рекристаллизация в более крупные кристаллы снижает свободную энергию Гиббса за счет снижения поверхностной энергии, [18] в то время как фазовые переходы и неокристаллизация снижают объемную свободную энергию Гиббса. Реакция начнется при температуре и давлении, когда свободная энергия Гиббса реагентов становится больше, чем у продуктов. [83]

Минеральная фаза, как правило, более стабильна, если она имеет более низкую внутреннюю энергию, отражающую более тесную связь между ее атомами. Фазы с более высокой плотностью (выраженной как более низкий молярный объем V ) более стабильны при более высоком давлении, в то время как минералы с менее упорядоченной структурой (выраженной как более высокая энтропия S ) предпочтительны при высокой температуре. Таким образом, андалузит стабилен только при низком давлении, поскольку он имеет самую низкую плотность из всех полиморфов силиката алюминия, в то время как силлиманит является стабильной формой при более высоких температурах, поскольку он имеет наименее упорядоченную структуру. [84]

Свободная энергия Гиббса конкретного минерала при указанной температуре и давлении может быть выражена различными аналитическими формулами. Они калибруются по экспериментально измеренным свойствам и фазовым границам минеральных ассоциаций. Равновесная минеральная ассоциация для заданного объемного состава породы при указанной температуре и давлении затем может быть рассчитана на компьютере. [85] [86]

Однако часто бывает очень полезно представлять равновесные минеральные ассоциации с помощью различных видов диаграмм. [87] К ним относятся петрогенетические сетки [88] [89] и диаграммы совместимости (композиционные фазовые диаграммы.) [90] [91]

Петрогенетические сетки

Петрогенетическая сетка — это геологическая фазовая диаграмма , которая отображает экспериментально полученные метаморфические реакции при их условиях давления и температуры для заданного состава породы. Это позволяет метаморфическим петрологам определять условия давления и температуры, при которых породы метаморфизуются. [88] [89] Показанная фазовая диаграмма несосиликата Al 2 SiO 5 — это очень простая петрогенетическая сетка для пород, которые имеют состав, состоящий только из алюминия (Al), кремния (Si) и кислорода (O). Поскольку порода подвергается различным температурам и давлению, это может быть любой из трех заданных полиморфных минералов. [84] Для породы, которая содержит несколько фаз, можно построить границы между многими фазовыми превращениями, хотя петрогенетическая сетка быстро усложняется. Например, петрогенетическая сетка может отображать как фазовые переходы силиката алюминия, так и переход от силиката алюминия плюс калиевого полевого шпата к мусковиту плюс кварцу. [92]

Диаграммы совместимости

В то время как петрогенетическая сетка показывает фазы для одного состава в диапазоне температур и давлений, диаграмма совместимости показывает, как минеральная ассоциация меняется в зависимости от состава при фиксированных температуре и давлении. Диаграммы совместимости предоставляют превосходный способ анализа того, как изменения в составе породы влияют на минеральный парагенезис , который развивается в породе при определенных условиях давления и температуры. [90] [91] Из-за сложности изображения более трех компонентов (в виде тройной диаграммы ) обычно наносятся только три наиболее важных компонента, хотя иногда диаграмма совместимости для четырех компонентов наносится в виде проецируемого тетраэдра . [93]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ ab Маршак 2009, стр. 177.
  2. ↑ Вернон 2008, стр. 1.
  3. ^ ab Yardley 1989, стр. 1–5.
  4. ^ ab Yardley 1989, стр. 5.
  5. ↑ Ярдли 1989, стр. 29–30.
  6. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 149, 420–425.
  7. ^ Бухер 2002, стр. 4.
  8. ^ Нельсон 2022.
  9. ^ Холланд и Пауэлл 2001.
  10. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 252.
  11. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 44.
  12. ^ ab Yardley 1989, стр. 49–51.
  13. ↑ Ярдли 1989, стр. 127, 154.
  14. ^ Джексон 1997, «метакварцит».
  15. ↑ Ярдли 1989, стр. 154–158.
  16. ^ Гиллен 1982, стр. 31.
  17. ^ Говард 2005.
  18. ^ ab Yardley 1989, стр. 148–158.
  19. ^ Ярдли 1989, стр. 158.
  20. ↑ Ярдли 1989, стр. 32–33, 110, 130–131.
  21. ↑ Ярдли 1989, стр. 183–183.
  22. ^ ab Vernon 1976, стр. 149.
  23. ↑ Ярдли 1989, стр. 110, 130–131.
  24. ↑ Стерн 2002, стр. 6–10.
  25. ^ Шминке 2003, стр. 18, 113–126.
  26. ↑ Стерн 2002, стр. 27–28.
  27. ↑ Ярдли 1989, стр. 75, 102.
  28. ^ Ярдли 1989, стр. 127.
  29. ↑ Боггс 2006, стр. 147–154.
  30. ^ ab Jackson 1997, «региональный метаморфизм».
  31. ^ Джексон 1997, «динамотермальный метаморфизм».
  32. ^ Джексон 1997, «метаморфизм захоронения».
  33. ^ abcdefg Ярдли 1989, стр. 12.
  34. ^ Кири, Клепеис и Вайн 2009, стр. 275–279.
  35. ↑ Левин 2010, стр. 76–77, 82–83.
  36. ↑ Ярдли 1989, стр. 22, 168–170.
  37. ^ Викандер и Манро 2005, стр. 174–77.
  38. ^ Юань и др. 2009, стр. 31–48.
  39. ^ Мияширо 1973, стр. 368–369.
  40. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 417.
  41. ^ Робинсон и др. 2004, стр. 513–528.
  42. ^ Денисон и др. 1987.
  43. ^ Смит, Пердрикс и Паркс 1982.
  44. ^ Маршак 2009, стр. 187.
  45. ^ Джексон 1997, «ореол».
  46. ↑ Ярдли 1989, стр. 12, 26.
  47. ^ Блатт и Трейси 1996, стр. 367, 512.
  48. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 422, 428.
  49. ^ Куни, Мартин. «Контактный и региональный метаморфизм». MartinCooney.com . Архивировано из оригинала 24 сентября 2023 г. Получено 26 марта 2024 г.
  50. ↑ Ярдли 1989, стр. 10–11.
  51. ^ Баркер, Боун и Леван 1998.
  52. ^ Ярдли 1989, стр. 43.
  53. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 427.
  54. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 422.
  55. ^ Ярдли 1989, стр. 126.
  56. ^ Ракован 2007.
  57. ^ Бусек 1967.
  58. ^ Купер и др. 1988.
  59. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 396–397.
  60. ^ Виноград 2011.
  61. ^ Сокол и др. 2005.
  62. ^ Маршак 2009, стр. 190.
  63. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 70, 243, 346.
  64. ^ Ярдли 1989, стр. 13.
  65. ↑ Мейсон 1990, стр. 94–106.
  66. ^ Джексон 1997, «катаклазис».
  67. ^ Броди и Раттер 1985.
  68. ^ Фоссен 2016, стр. 185.
  69. ^ Фоссен 2016, стр. 184–186.
  70. ^ Фоссен 2016, стр. 341.
  71. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 441.
  72. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 443.
  73. ^ Фоссен 2016, стр. 184.
  74. ^ Ярдли 1989, стр. 26.
  75. ↑ Ярдли 1989, стр. 21–27.
  76. ^ Робертсон 1999.
  77. ^ ab Шмид и др. 2007.
  78. ^ ab Маршак 2009, стр. 183.
  79. ^ Гент 2020.
  80. ^ ab Blatt & Tracy 1996, стр. 399.
  81. ^ Митра 2004.
  82. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 159.
  83. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 159–160.
  84. ^ ab Whitney 2002.
  85. ^ Холланд и Пауэлл 1998.
  86. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 161–162.
  87. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 447–470.
  88. ^ ab Yardley 1989, стр. 32–33, 52–55.
  89. ^ ab Philpotts & Ague 2009, стр. 424–425.
  90. ^ ab Yardley 1989, стр. 32–33.
  91. ^ ab Philpotts & Ague 2009, стр. 447.
  92. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 453.
  93. ^ Филпоттс и Агу 2009, стр. 454-455.

Ссылки

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки