Метаморфизм - это изменение минералов или геологической текстуры (четкое расположение минералов) в ранее существовавших породах ( протолитах ) без плавления протолита в жидкую магму (изменение твердого состояния ). Изменение происходит в первую очередь из-за тепла, давления и введения химически активных жидкостей. В химические компоненты и кристаллические структуры минералов, составляющих породу может измениться, даже если камень остается твердым. Изменения на поверхности Земли или под ней в результате выветривания или диагенеза не классифицируются как метаморфизм. Метаморфизм обычно происходит между диагенезом (максимум 200 ° C) и плавлением (~ 850 ° C).
Геологи, изучающие метаморфизм, известны как «метаморфологи-петрологи». Чтобы определить процессы, лежащие в основе метаморфизма, они в значительной степени полагаются на статистическую механику и экспериментальную петрологию.
Существуют три типа метаморфизма: контактный, динамический и региональный. Метаморфизм, возникающий при увеличении давления и температуры, известен как прогрессивный метаморфизм. И наоборот, снижение температуры и давления характеризует ретроградный метаморфизм.
Метаморфические породы могут изменяться без плавления. Тепло приводит к разрыву атомных связей, и атомы перемещаются и образуют новые связи с другими атомами, создавая новые минералы с другими химическими компонентами или кристаллическими структурами ( неокристаллизация ) или обеспечивая перекристаллизацию. При приложении давления несколько сплюснутые зерна, ориентированные в одном направлении, имеют более стабильную конфигурацию.
Нижний предел температуры того, что считается метаморфическим процессом, обычно составляет 100–200 ° C; это исключает диагенетические изменения из-за уплотнения и образования осадочных пород.
Верхняя граница условий метаморфизма связана с началом процессов плавления в породе. Максимальная температура метаморфизма обычно составляет 700–900 ° C, в зависимости от давления и состава породы. Мигматиты - это породы, образованные на этом верхнем пределе, которые содержат стручки и жилы материала, который начал плавиться, но не полностью отделился от огнеупорных остатков. С 1980-х годов было признано, что породы редко бывают достаточно сухими и достаточно тугоплавкими, чтобы регистрировать без плавления «сверхвысокие» температуры метаморфизма 900–1100 ° C. Процесс метаморфизма обычно происходит при давлениях от 100 до 300 МПа, глубина, на которой эти давления возникают, зависит от того, какой тип породы оказывает давление.
Региональный или барровский метаморфизм охватывает большие области континентальной коры, обычно связанные с горными хребтами, особенно те, которые связаны со сходящимися тектоническими плитами или корнями ранее эродированных гор. Условия образования широко распространенных в регионе метаморфизованных пород возникают во время орогенного события. Столкновение двух континентальных плит или островных дуг с континентальными плитами создает экстремальные силы сжатия, необходимые для метаморфических изменений, типичных для регионального метаморфизма. Эти орогенные горы позже подвергаются эрозии, обнажая сильно деформированные породы, характерные для их ядер. Условия внутри субдуцирующей плиты, когда она погружается в мантию в зоне субдукции, также вызывают региональные метаморфические эффекты, характеризующиеся парными метаморфическими поясами. Методы структурной геологии используются для разгадки истории столкновений и определения задействованных сил. Региональный метаморфизм можно описать и классифицировать по метаморфическим фациям или метаморфическим зонам условий температуры / давления по всему орогенному террейну.
Контактный метаморфизм обычно происходит вокруг интрузивных магматических пород в результате повышения температуры, вызванного проникновением магмы в более холодные вмещающие породы. Область вокруг интрузии, где присутствуют эффекты контактного метаморфизма, называется метаморфическим ореолом или контактным ореолом. Контактные метаморфические породы обычно называют роговиками. Породы, образованные контактным метаморфизмом, могут не иметь признаков сильной деформации и часто мелкозернистые.
Контактный метаморфизм сильнее прилегает к интрузии и рассеивается по мере удаления от контакта. Размер ореола зависит от тепла интрузии, его размера и разницы температур с породами стенки. Дайки обычно имеют небольшие ореолы с минимальным метаморфизмом, тогда как крупные ультраосновные интрузии могут иметь значительно мощный и хорошо развитый контактный метаморфизм.
Степень метаморфизма ореола измеряется пиком метаморфического минерала, который образуется в ореоле. Обычно это связано с температурой метаморфизма пелитовых или алюмосиликатных пород и минералов, которые они образуют. Метаморфические степени ореолов - роговики андалузитовые, роговики силлиманитовые, роговики пироксеновые.
Магматические флюиды, поступающие из интрузивных пород, также могут принимать участие в метаморфических реакциях. Обширное добавление магматических флюидов может значительно изменить химический состав затронутых пород. В этом случае метаморфизм переходит в метасоматоз. Если внедренная порода богата карбонатом, в результате образуется скарн. Богатые фтором магматические воды, которые покидают остывающий гранит, часто могут образовывать грейзены внутри и рядом с контактом с гранитом. Метасоматические измененные ореолы могут локализовать отложение металлических рудных минералов и, таким образом, представляют экономический интерес.
Особый тип контактного метаморфизма, связанный с пожарами ископаемого топлива, известен как пирометаморфизм.
Гидротермальный метаморфизм - результат взаимодействия горной породы с высокотемпературным флюидом переменного состава. Разница в составе существующей породы и вторгшейся жидкости запускает ряд метаморфических и метасоматических реакций. Гидротермальный флюид может быть магматическим (происходить из проникающей магмы), циркулирующими грунтовыми водами или водой океана. Конвективная циркуляция гидротермальных флюидов в базальтах дна океана вызывает обширный гидротермальный метаморфизм, прилегающий к центрам спрединга и другим подводным вулканическим областям. Жидкости в конечном итоге выходят через вентиляционные отверстия на дне океана, известные как черные курильщики. Модели этого гидротермального изменения используются в качестве ориентира при поисках месторождений руд ценных металлов.
Шоковый метаморфизм происходит, когда внеземной объект ( например, метеорит ) сталкивается с поверхностью Земли. Таким образом, ударный метаморфизм характеризуется условиями сверхвысокого давления и низкой температуры. Полученные минералы (такие как полиморфы SiO 2, коэсит и стишовит ) и текстуры являются характерными для этих условий.
Динамический метаморфизм связан с зонами высокого и среднего напряжения, такими как зоны разломов. Катаклаз, дробление и измельчение горных пород на угловатые фрагменты, происходит в динамических метаморфических зонах, давая катакластическую структуру.
Текстуры динамических метаморфических зон зависят от глубины, на которой они образовались, поскольку температура и ограничивающее давление определяют преобладающие механизмы деформации. На глубинах менее 5 км динамический метаморфизм возникает нечасто, поскольку ограничивающее давление слишком низкое для образования тепла трения. Вместо этого образуется зона брекчии или катаклазита, в которой порода измельчается и разбивается на случайные фрагменты. Обычно это меланж. На глубине угловатые брекчии переходят в вязкую структуру сдвига и в зоны милонита.
В диапазоне глубин 5–10 км формируется псевдотахилит, потому что ограничивающего давления достаточно для предотвращения брекчии и фрезерования, и, таким образом, энергия фокусируется на дискретных плоскостях разломов. В этом случае фрикционный нагрев может расплавить породу с образованием псевдотахилитового стекла.
В диапазоне глубин 10–20 км деформация определяется условиями пластической деформации, и, следовательно, нагрев от трения рассеивается по зонам сдвига, что приводит к более слабому тепловому отпечатку и распределенной деформации. Здесь деформация образует милонит, причем динамотермический метаморфизм наблюдается редко, как рост порфиробластов в зонах милонита.
Надвиг может сопоставлять горячие породы нижней коры с более холодными блоками средней и верхней коры, что приводит к кондуктивному переносу тепла и локализованному контактному метаморфизму более холодных блоков, прилегающих к более горячим блокам, и часто ретроградному метаморфизму в более горячих блоках. Метаморфические образования в этом случае являются диагностическими для глубины, температуры и размаха разлома, а также могут быть датированы, чтобы определить возраст надвига.
Метаморфические породы классифицируются по минеральному составу, нефтематеринской породе, также известной как протолит, и контексту (давление, температура, гидрологические особенности и т. Д.) Ее образования.
Метаморфические фации - это узнаваемые террейны или зоны с комплексом ключевых минералов, которые находились в равновесии при определенном диапазоне температуры и давления во время метаморфического события. Фация названа в честь метаморфической породы, образовавшейся в этих фациальных условиях из базальта. Фациальные отношения были впервые описаны Пентти Эскола в 1921 году.
Метаморфические фации по температуре и давлению Диаграммы совместимости ACF (алюминий-кальций-железо), показывающие фазовые равновесия в метаморфических основных породах при различных условиях PT (метаморфические фации). Точки обозначают минеральные фазы, тонкие серые линии - равновесия между двумя фазами. Сокращения по минералам: акт = актинолит ; cc = кальцит ; хл = хлорит ; ди = диопсид ; ep = эпидот ; глау = глаукофан ; gt = гранат ; hbl = роговая обманка ; ky = кианит ; закон = лавсонит ; plag = плагиоклаз ; ом = омфацит ; opx = ортопироксен ; zo = цоизитТемпература | Давление | Фации |
---|---|---|
Низкий | Низкий | Цеолит |
Низкий Средний | Низкий Средний | Пренит-пумпеллиит |
От умеренного до высокого | Низкий | Hornfels |
От низкого до среднего | От умеренного до высокого | Blueschist |
Умеренный → Высокий | Умеренный | Зеленые сланцы → Амфиболит → Гранулит |
От умеренного до высокого | Высокая | Эклогит |
См. Схему для более подробной информации.
Степень метаморфизма - неофициальное указание количества или степени метаморфизма. Более полное указание на эту интенсивность или степень дает концепция метаморфических фаций.
В барровской толще (описанной Джорджем Барроу в зонах прогрессивного метаморфизма в Шотландии) метаморфические степени также классифицируются по минеральным ассоциациям на основе появления ключевых минералов в породах пелитового (сланцевого, глиноземистого) происхождения:
Низкий сорт ------------------- Промежуточный --------------------- Высокий сорт
В процессе перекристаллизации зерна, составляющие протолит, меняют форму и размер. В ходе этого процесса не изменяется характер минерала, меняется только текстура. Перекристаллизация происходит за счет нагрева протолита. Температура, при которой это происходит, может варьироваться в зависимости от присутствующих минералов. Рекристаллизация обычно начинается, когда температура достигает более половины точки плавления минерала по шкале Кельвина.
Фазовый метаморфизм - это создание новых минералов с той же химической формулой, что и протолит. Это включает перегруппировку атомов в кристаллах.
Неокристаллизация включает в себя создание новых кристаллов минералов, отличных от протолита. Химические реакции переваривают минералы протолита, что дает новые минералы. Это очень медленный процесс, так как он также может включать диффузию атомов через твердые кристаллы.
Раствор под давлением - это метаморфический процесс, который требует, чтобы порода находилась под сильным давлением с одного направления и в присутствии горячей воды. Во время этого процесса минералы протолита частично растворяются, диффундируют через воду и выпадают в осадок в другом месте.
При пластической деформации к протолиту прилагается давление, которое заставляет его сдвигаться или изгибаться, но не разрушаться. Для этого температура должна быть достаточно высокой, чтобы не происходило хрупкого разрушения, но не настолько высокой, чтобы происходила диффузия кристаллов.
Метаморфизм далее делится на прямой и ретроградный метаморфизм. Прогрессивный метаморфизм включает изменение минеральных ассоциаций ( парагенезис ) с повышением температуры и (обычно) условий давления. Это реакции дегидратации в твердом состоянии, которые включают потерю летучих веществ, таких как вода или диоксид углерода. В результате прогрессирующего метаморфизма порода характеризуется максимальным давлением и температурой. Метаморфические породы обычно не претерпевают дальнейших изменений, когда они возвращаются на поверхность.
Ретроградный метаморфизм включает восстановление породы путем револатизации при понижении температуры (и, как правило, давления), что позволяет минеральным ассоциациям, образовавшимся при прогрессивном метаморфизме, вернуться к более стабильным при менее экстремальных условиях. Это относительно необычный процесс, потому что в нем должны присутствовать летучие вещества.
Петрогенетическая сетки является геологической фазовой диаграммой, что участки экспериментально полученный метаморфические реакции на их условиях давления и температур для данного состава пород. Это позволяет геологам (в частности, петрологам-метаморфологам) определять условия давления и температуры, при которых горные породы метаморфизируются. Показанная фазовая диаграмма несиликата Al 2 SiO 5 представляет собой очень простую петрогенетическую сетку для горных пород, которые имеют состав только из алюминия (Al), кремния (Si) и кислорода (O). Поскольку порода подвергается разным температурам и давлению, это может быть любой из трех указанных полиморфных минералов. Для горных пород, содержащих больше элементов, петрогенетическая сетка быстро усложняется.
Диаграммы совместимости предоставляют отличный способ проанализировать, как изменения в составе породы влияют на парагенезис минералов, который развивается в породе при определенных условиях давления и температуры.