Минералогический состав метаморфических пород
Минералогический состав породы, не подвергшейся метаморфизму, в основном будет сильно отличаться от ее метаморфического эквивалента. Степень этого отличия во многом контролируется заметными изменениями T и P во время метаморфизма, относительную степень метаморфизма можно выразить через ступени: очень низкая, низкая, средняя и высокая ступень (рис. 11.15). Смены ступеней метаморфизма отражаются в сменах минеральных ассоциаций в породах. Например (рис. 11.16), в кремнистом доломитовом известняке, находившемся в условиях очень низкой ступени метаморфизма (Т 150—250 °С; см. рис. 11.15), может происходить образование талька в соответствии с реакцией:
При условиях низкотемпературного метаморфизма (T между 250 и 450 °С) ассоциация в правой части вышеприведенного уравнения может реагировать следующим образом:
При условиях среднетемпературного метаморфизма (около 450—600 °С) тремолит может превратиться в диопсид в соответствии с реакцией:
При высокотемпературных условиях (выше 600 °С) может образоваться форстерит следующим путем:
При очень высоких температурах, таких как непосредственно в пограничной зоне интрузии (контактовый, метаморфизм) может образоваться волластонит по реакции:
Вышеуказанные типы реакций можно изучать экспериментально, что предоставляет нам количественную информацию о диапазонах температуры и давления, при которых реагенты переходят в продукты реакции. Это дает нам довольно точную оценку условий метаморфизма пород, подобных по валовому химическому составу тем, что изучались в лаборатории.
В региональном метаморфизме аргиллитовых (богатых глиной) пород таких, как глинистый сланец, можно аналогично изучить различные реакции между минеральными составляющими, происходившие в основном в результате повышения температуры. В последовательности от глинистого сланца (глинистые минералы + хлорит + мусковит + полевой шпат + кварц) к филлиту, далее к ставролит-альмандин-биотит-мусковит-кварцевому кристаллическому сланцу, и наконец, до силлиманит-альмандин-кордиерит-калиевополевошпат-кварцевого гнейса при самых высоких температурах регионального метаморфизма между минеральными составляющими произошло много реакций. Как и в случае вышеописанных реакций для карбонатных пород, последовательность простирается от тонкозернистых, богатых H2O минеральных ассоциаций при низкой температуре до грубозернистых безводных ассоциаций при самых высоких температурах.
При систематическом изучении глинистых сланцев и их метаморфических эквивалентов в Шотлондских нагорьях в 1912 г. Г. Барроу выделил различные метаморфические зоны на основе нахождения минералов-индикаторов. Он отметил, что по мере повышения ступени метаморфизма в аргиллитовых породах развиваются следующие минералы-индикаторы: сначала хлорит, затем биотит, за ним альмандин, потом ставролит, затем кианит и при самых высоких температурах — силлиманит. Подобные последовательности минералов обнаружены в других метаморфических комплексах, содержащих аргиллитовые породы, например, в районе Новой Англии. Если области нахождения определенного минерала-индикатора обведены на геологической карте (например, богатая хлоритом область), линия, отмечающая первое появление минерала-индикатора, называется и зоградой. Изограды отражают положения сходных по T и P метаморфических ступеней.
В областях, где возникали очень высокие давления во время метаморфизма, конечные минеральные ассоциации по валовому составу породы будут очень отличаться от тех, где преобладают высокие температуры. Глинистые породы, метаморфизованные при высоких температурах, обычно содержат силлиманит, тогда как породы, подверженные высоким давлениям, содержат кианит. Аналогично, высокотемпературные базальтовые ассоциации встречаются в виде грубозернистых эклогитов в областях высокого давления в нижней части земной коры.
Кроме подразделения полей P и Т на очень низкую, низкую, среднюю и высокую ступени метаморфизма (см. рис. 11.15), метаморфические породы часто классифицируются по фациям метаморфизма. Метаморфическая фация — это группа метаморфических минеральных ассоциаций, неоднократно ассоциированных в пространстве и времени таким образом, что существует постоянное и, следовательно, предсказуемое отношение между минеральным и химическим составом. Метаморфические фации, таким образом, определяются не по единственному минералу-индикатору, а по сочетанию минеральных ассоциаций; вот некоторые примеры фаций метаморфизма. Цеолитовая фация представляет собой низшую ступень метаморфизма. Минеральные ассоциации включают цеолиты, хлорит, мусковит и кварц. Зеленосланцевая фация — это низкотемпературная метаморфическая фация многих регионально-метаморфизованных отложений. Минеральные ассоциации могут включать хлорит, эпидот, мусковит, альбит и кварц. Амфиболитовая фация встречается в метаморфических комплексах средней и высокой ступени. Минеральные составляющие включают роговую обманку, плагиоклаз и альмандин. Эта фация встречается там, где преобладали условия ставролитовой и силлиманитовой ступени метаморфизма. Фация глаукофаново-лавcoнитовых сланцев (или голубосланцевая) представлена относительно низкими температурами, но повышенными давлениями метаморфизма в молодых орогенных зонах, как в Калифорнии и Японии. Характерные составляющие — лавсонит, жадеит, альбит, глаукофан, мусковит и гранат. Гранулитовая фация отражает условия максимальных температур регионального метаморфизма, какие обычно достигаются в архейских комплексах. Характерные минеральные составляющие — плагиоклаз, гиперстен, гранат и диопсид. Эклогитовая фация представляет собой наиболее глубинные условия метаморфизма. Характерные минеральные составляющие — богатый пиропом гранат и омфацит. Такие ассоциации обычны в кимберлитовых трубках, многие из которых содержат и алмаз. Диаграмма, приблизительно очерчивающая поля разных метаморфических фаций в координатах P и Т, приведена на рис. 11.17.
Минералы, наиболее обычные в метаморфических породах, приведены в табл. 11.8. Примеры минеральных ассоциаций в богатых карбонатами аргиллитовых породах как функции повышения ступени метаморфизма приведены в табл. 11.9.
