Метаморфізм та метаморфічні гірські породи

Метаморфічні гірські породи утворюються в глибоких зонах земної кори внаслідок ендогенних процесів метаморфізму – суттєвої зміни текстури, структури і мінерального складу гірських порід у результаті дії високої температури, тиску, глибинних флюїдів та інших факторів.

Термін метаморфізм (грецьк. – перетворення) було введено в геологічну науку французьким геологом Ч. Лайелем у 1885 році. Метаморфічні процеси відбуваються в інтервалах температур – 1100 – 300^о С і тисків 6000 – 1 атм. Метаморфізм включає перекристалізацію, мінералогічні та хімічні зміни в осадових, магматичних і раніше утворених метаморфічних породах, унаслідок чого всі вони перетворюються у метаморфічні гірські породи.

Генетичний сенс метаморфізму – у зміні первинного хімічного складу мінералів та зародження нових, стійких у тих або інших фізико-хімічних умовах геологічного середовища, що створилося. Під дією зовнішніх чинників (високі тиски й температури, термальні флюїди) відбувається часткова або повна перекристалізація гірських порід, що супроводжується докорінною перебудовою їхньої структури та текстури. Метаморфічні процеси є різноманітними як за формою проявів, так і за характером перетворень.

Метаморфізм гірських порід може бути космогенним, що має місце в астроблемах (великих метеоритних кратерах), і ендогенним, який розвивається під дією на породи тепла, тиску та флюїдів, земних надр.

Космогеннийметаморфізм земних гірських порід породжується енергією ударних хвиль, яка перетворює поверхневі породи у метаморфічні. Він пов’язанний з різким короткочасним зростанням температури і тиску в момент падіння на Землю великих метеоритів. Унаслідок цього утворюються породи імпактити, в яких зустрічаються мінерали високого тиску (алмази, піропи, коксит, стишовіт та ін.), спільно з продуктами плавлення, деформації й дроблення мінералів початкових порід. Цей вид метаморфізму за розвитком у земній корі та передусім на її поверхні значно поступається ендогенному метаморфізму.

Ендогенний метаморфізм має багато форм, які об’єднуються у три основні види: регіональний, контактний та ультраметаморфізм.

Регіональний метаморфізм спостерігається на великих глибинах в умовах високих температур і тисків, що зумовлені потужними товщами гірських порід та термальними флюїдами. Міграція термальних розчинів є причиною метасоматозу (заміщення мінеральних комплексів), температура – причиною перекристалізації мінералів і порід, а спрямований тиск – причиною їх розсланцювання. Усі ці процеси проявляються на великих просторах у зв’язку з формуванням геосинклінальних (рухливих) поясів земної кори і знаходяться поза зоною магматичного впливу. Регіональний метаморфізм геосинклінальних вулканогенно-осадових утворень відбувається в процесі паралельно-послідовного переходу гірських порід до зон, у яких постійно збільшуються термобаричні показники. Все це приводить до зміни структури, текстури, мінерального і хімічного складу гірських порід.

При регіональному метаморфізмі піщано-глинисті породи перетворюються у глинисті сланці (алевроліти), щільні вапняки завдяки перекристалізації – у кристалічно-зернисті мармури, уламкові пісковики – у кристалічні кварцити, магматичні породи – у граніти, піщано-глинисті – у гнейси. Сланцева, гнейсова, амфіболітова їх структури зумовлені розвитком регіонального метаморфізму в умовах стресу (спрямованого тиску, що спричиняє деформацію у гірських породах).

Контактовий метаморфізм відбувається в безпосередній близькості від інтрузій або екструзій (виливів) магм під впливом на вмісні породи теплового потоку й флюїдів. На контактах між магмою і такими породами виникають складні фізико-хімічні процеси, що приводять, з одного боку, до контактового метасоматозу, а з іншого – до температурних змін мінералів. Інтенсивність цих процесів залежить від складу магми та вміщуючих товщ. Найбільші зміни відзначаються на контакті кислих магм з карбонатними породами. Зміни стосуються обох сторін контакту. Ореол у бік інтрузиву називають ендоконтактною зоною (зона внутрішнього контакту), а у бік уміщуючих порід – екзоконтактною зоною (зона зовнішнього контакту). Екзоконтактний ореол є набагато ширшим за ендоконтактний й іноді досягає розмірів до 5 км і більше.

Контактних змін зазнають як осадові, так і магматичні породи. Глини й піщано-глинисті породи внаслідок цього перетворюються у щільні роговики. Граніти перетворюються в грейзени. Внаслідок проникнення гідротермальних розчинів в осадові породи вони збагачуються окислами кремнію (окварцювання), вуглекислим кальцієм та магнієм (карбонати-зація). Відбуваються й інші перетворення.

Кожний процес охоплює лише певний комплекс порід. Перетворення магнезіальних мінералів у тальк зазнають магматичні мінерали основного та ультраосновного складу й осадові доломіти. В останньому випадку збагачена кремнеземом (SiO₂) гаряча водяна пара перетворює доломіти у тальк. Реакція йде за схемою

3(Ca,Mg )[CO₃]₂+4SiO₂+H₂O →Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂+3Ca[CО₃]+3CO₂. (2.1) доломіт тальк кальцит

З порід контактного метаморфізму найпродуктивнішими для пошуків корисних копалин є грейзени та скарни. З грейзенами пов’язані родовища олова, вольфраму, молібдену, літію, урану. В скарнах трапляються родовища міді, залізних руд, золота, урану, поліметалів.

Ультраметаморфізм.Вищим ступенем метаморфізму є ультра-метаморфізм (лат. ультра – більше, над), що торкається найглибших зон земної кори. До явищ ультраметаморфізму належать мігмітизація, гранітизація, анатексис, палінгенез. Ультраметаморфізм гірських порід існує як на етапі занурення геосинклінальних областей, так і на етапі їх інверсійно-складчастого розвитку.

Ультраметаморфізм занурення – процес розплавлення гірських порід, що відбувається внаслідок зростання регіонального прогресивного метаморфізму без суттєвого привнесення мінеральної речовини при температурах, вищих за геотермічний рівень плавлення гірських порід гранітного складу. Цей вид метаморфізму є найбільш характерним для архейського та ранньопротерозойського етапів розвитку земної кори, коли величина регіонального теплового потоку була значно більшою за сучасну, а процеси палінгенезу й анатексису відбувалися вже на глибинах 5 – 9 км.

Палінгенез (грецьк. – зворотний) – ультраметаморфічний процес переплавлення первинно-магматичних порід (вулканогенних, інтрузивних) з подальшим перетворенням їх у граніт. Повне переплавлення, що призводить до утворення магми, називають анатексисом (грецьк.: ана – вища міра, тексис – розплавлення).

Ультраметаморфізм здіймання – сукупність складного комплексу процесів, що розвиваються на інверсійно-складчастих етапах еволюції в умовах значного привнесення речовини та теплової енергії в зоні інтенсивної тектонічної активності, кінцевим результатом яких є формування магматичного розплаву гранітного складу (гранітизація).

Гранітизація – перетворення хімічного і мінерального складу гірських порід різного генезису, внаслідок яких утворюються граніти. Ділянки метаморфічних гранітів зустрічаються серед товщ докембрійських гнейсів та кристалічних сланців, що становлять ядра більшості сучасних гірських масивів. Про те, що ці граніти матаморфогенні, а не магматичні, свідчить відсутність слідів укорінення, характерних для магматичних утворень й оточення гранітоїдних порід метаморфічними товщами.

Проведені експерименти дозволили отримати з різних за складом метаморфічних порід гранітний розплав та пояснити виплавлення гранітів у товщах глибокометаморфізованих гірських порід. Глибокометаморфізо-вані породи докембрію, що представлені переважно гнейсами, амфіболітами, кристалічними сланцями тощо, є характерними для континентальних літосферних плит. Океанічні плити складаються породами з нижчими ступенями метаморфізму.

Структури метаморфічних порід, що втратили релікти первинних, мають назву кристалобластових (кристалобластичних).

Серед них – профіробластова, профіровиднобластова, лепідо-бластова (сланцева), гранолепідобластова (гнейсова), гранонематоблас-това, мікрогранобластова (роговикова) та ін.

Метаморфічні породи мають сланцеві та гнейсові текстури, що є однорідними або смугастими. Смугасті текстури поділяються на реліктові (успадковані від шаруватих товщ, що зазнали метаморфічних змін) і метаморфічні (що виникли внаслідок метаморфічної диференціації). Сланцева та гнейсова структури властиві регіонально-метаморфічним породам, а роговикові – продуктам контактового метаморфізму.

Мігматити – складні гірські породи контактово-метаморфічного походження, які утворюються із суміші магми та порід, що з нею контактують і мають ін’єкційні текстури (текстури проникнення). Метаморфічні породи характеризуються також великою кількістю деформаційних текстур (будинаж та ін.).

Класифікація метаморфічних порідґрунтується на особливостях їх утворення. Найчастіше розрізняють дві з них, що відрізняються за характером метаморфізму – контактним чи глибинним. Породи першої групи мають локальне розповсюдження, а другої – регіональне.

Тип метаморфічних порід першої групи визначається складом первинних гірських порід і роллю мінералізаторів, що привнесені з глибинних надр. За цією ознакою виділяють, по-перше, породи, які утворилися із вивержених порід шляхом їх перекристалізації за значного надходження мінералізаторів поствулканічного походження – газів та розчинів, і, по-друге, контактно-метаморфічні породи, що утворилися за незначного привнесення флюїдів.

До перших належать серпентиніти, пов’язані з ультраосновними виверженими породами: грейзени, що утворилися за рахунок гранітів, та пропіліти, пов’язані головним чином з порфіритами та порфірами. До других – контактні роговики, частково мармури і т. ін. Ширше розвинуті метаморфічні породи другої групи – кристалічні сланці, що зобов’язані своїм походженням регіональному метаморфізму.

Гнейси – повнокристалічні, сланцюваті, світлозабарвлені або барвисті породи, що складаються з польових шпатів, кварцу й слюди. Слюди розташовані або окремими листочками, або утворюють найтонші прошарки (смугасті гнейси). Текстура їх буває лінзоподібно-сланцевою. Назву гнейсам надають за найхарактернішими мінералами – головними та другорядними. Породи як магматичного, так і осадового походження перетворюються в гнейси під дією метаморфізму. У них часто спостерігаються тонкошарові ін’єкції (протикання) гранітів у первинно-осадові породи (мігматити).

Слюдяні сланці (біотитові, мусковітові та двохслюдисті) відрізняються від гнейсів відсутністю або незначною кількістю польових шпатів. Колір їх темний. Сланцюватість буває паралельною, хвилястою. Зернистість є чіткою і зазвичай меншою, ніж у гнейсів.

Слюдисті мікросланці (філіти) – найменш метаморфізовані з-поміж кристалічних сланців. Утворюють переходи до різних глинистих сланців, від яких відрізняються повнокристалічною структурою та шовковистим блиском паралельних площин, які покриті найдрібнішими пластинками слюди. Слюди майже завжди є світлими. Серед них часто зустрічається хлорит, який забарвлює породу в зеленкуваті відтінки.

Амфіболіти складаються з майже однакових кількостей амфіболу та плагіоклазу і відповідають за складом породам групи габро й темнозабарвленим діоритам. Це масивні та сланцюваті породи – від крупнозернистих до дрібнокристалічних. Від амфіболових гнейсів відрізняються темним сіро-зеленим або темно-зеленим забарвленням.

Амфіболові сланці – тонкозернисті породи, що макроскопічно майже не відрізняються від амфіболітів. Складаються з рогової обманки з кварцем або без нього. Хлоритові сланці – зелені (переважно темно-зелені), м’які (легко ріжуться ножем). Талькові сланці – зеленкуваті (внаслідок наявності хлориту та серпентину), масні на дотик і дуже м’які породи.