Метаморфизм - Metamorphism

Для использования в других целях см. Метаморфизм (значения).
Схематическое изображение метаморфическая реакция. Сокращения минералов: act = актинолит; chl = хлорит; ep = эпидот; gt = гранат; hbl = роговая обманка; plag = плагиоклаз. Два минерала, представленные на рисунке, в реакции не участвуют, они могут быть кварц и Калиевый полевой шпат. Эта реакция имеет место в природе, когда мафический рок идет от амфиболитовая фация к зеленосланцевые фации.
А кроссполяризованный тонкий срез изображение гранат -слюда -сланец из Саланген, Норвегия демонстрирует сильную деформацию сланцев. Черный (изотропный) кристалл - гранат, пряди розово-оранжево-желтого цвета - москвич слюды, а коричневые кристаллы - биотит слюда. Серые и белые кристаллы кварц и (ограничено) полевой шпат.

Метаморфизм это изменение минералы или геологическая структура (отчетливое расположение минералов) в ранее существовавших горные породы (протолиты ), без плавления протолита в жидкость магма (а твердое состояние изменять).[1] 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 порода остается твердый. Изменения на поверхности Земли или под ней из-за выветривание или диагенез не относятся к метаморфизму.[2] Метаморфизм обычно происходит между диагенезом (максимум 200 ° C) и таяние (~ 850 ° С).[3]

Геологи, изучающие метаморфизм, известны как «метаморфологи-петрологи». Чтобы определить процессы, лежащие в основе метаморфизма, они в значительной степени полагаются на статистическая механика и экспериментальная петрология.

Существуют три типа метаморфизма: контакт, динамический и региональный. Метаморфизм, возникающий при увеличении давления и температуры, известен как прямой метаморфизм. И наоборот, снижение температуры и давления характеризует ретроградный метаморфизм.

Твердотельная перекристаллизация и неокристаллизация

Метаморфических пород может измениться без таяния. Тепло приводит к разрыву атомных связей, и атомы движутся и образуют новые связи с другими. атомы, создавая новые минералы с различными химическими компонентами или кристаллическими структурами (неокристаллизация ) или включение перекристаллизация.[3] При приложении давления несколько сплюснутые зерна, ориентированные в одном направлении, имеют более стабильную конфигурацию.

Пределы

Нижний предел температуры того, что считается метаморфическим процессом, обычно составляет 100–200 ° C;[4] это исключает диагенетический изменения из-за уплотнения и образования осадочные породы.

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 являются горные породы, образующиеся при этом верхний предел, который содержит стручки и вены материала, который начал плавиться, но не полностью отделены от огнеупорной остатка. 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. Метаморфический процесс обычно происходит при давлениях от 100 до 300 ° С.МПа, глубина, на которой возникают эти давления, в зависимости от того, какой тип породы оказывает давление.[5]

Типы

Региональный

Региональный или Барровский метаморфизм охватывает большие площади Континентальный разлом обычно связаны с горными хребтами, особенно с сходящиеся тектонические плиты или корни ранее размытый горы. Условия образования широко распространенных в регионе метаморфизованных пород возникают во время орогенное событие. Столкновение двух континентальные плиты или островные дуги с континентальными плитами создают экстремальные силы сжатия, необходимые для метаморфических изменений, типичных для регионального метаморфизма. Позднее эти орогенные горы подвергаются эрозии, обнажая сильно деформированные породы, характерные для их ядер. Условия внутри погружающейся плиты по мере ее падения к мантия в зоне субдукции также вызывают региональные метаморфические эффекты, характеризующиеся парные метаморфические пояса. Техники структурная геология используются для раскрытия истории столкновений и определения задействованных сил. Региональный метаморфизм можно описать и разделить на метаморфические фации или метаморфические зоны условий температуры / давления во всей орогенной террейн.

Контакт (термический)

Метаморфический ореол в горах Генри, штат Юта. Сероватая порода наверху - магматическая интрузия, состоящая из порфировидных гранодиоритов из Горы Генри лакколит, а розоватая порода на дне - это осадочная вмещающая порода, алевролит. Между ними виден метаморфизованный алевролит как темный слой (толщиной ~ 5 см), так и светлый слой под ним.
Контактный метаморфизм горных пород eng big text.jpg

Контактный метаморфизм обычно происходит вокруг навязчивый Магматические породы в результате повышения температуры, вызванного вторжением магма в кулер кантри-рок. Область вокруг интрузии, в которой проявляются эффекты контактного метаморфизма, называется метаморфический ореол.[6] Контактные метаморфические породы обычно известны как Hornfels. 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 большие ультраосновные вторжения может иметь значительно мощный и хорошо развитый контактный метаморфизм.

Степень метаморфизма ореола измеряется пиком метаморфического минерала, который образуется в ореоле. Обычно это связано с температурами метаморфизма пелитовый или алюмосиликатные породы и минералы, которые они образуют. Метаморфические степени ореолов - роговики андалузитовые, роговики силлиманитовые, роговики пироксеновые.

Магматические флюиды, поступающие из интрузивных пород, также могут принимать участие в метаморфические реакции. Обширное добавление магматических флюидов может значительно изменить химический состав затронутых пород. В этом случае метаморфизм переходит в метасоматизм. Если внедренная порода богата карбонат в результате скарн. Фтор -богатые магматические воды, которые оставляют остывающий гранит, часто могут образовывать грейзены внутри и рядом с контактом гранита. Метасоматические измененные ореолы могут локализовать отложение металлических руда полезные ископаемые и поэтому представляют экономический интерес.

Особый тип контактного метаморфизма, связанный с пожарами ископаемого топлива, известен как пирометаморфизм.[7][8]

Гидротермальный

Гидротермальный метаморфизм - результат взаимодействия горной породы с высокотемпературным флюидом переменного состава. Разница в составе между существующей породой и вторгающейся жидкостью вызывает ряд метаморфических и метасоматический реакции. Гидротермальный флюид может быть магматическим (возник во внедряющейся магме), циркулирующим. грунтовые воды, или океанская вода. Конвективная циркуляция гидротермальных флюидов на дне океана базальты производит обширный гидротермальный метаморфизм, прилегающий к центрам спрединга и другим подводным вулканическим районам. Жидкости в конечном итоге выходят через вентиляционные отверстия на дне океана, известные как черные курильщики.[9] Шаблоны этого гидротермальные изменения используются как ориентир при поисках месторождений руд ценных металлов.

Шок

Основная статья: Шоковый метаморфизм

Шоковый метаморфизм возникает, когда внеземной объект ( метеорит например) сталкивается с поверхностью Земли. Поэтому ударный метаморфизм характеризуется условиями сверхвысокого давления и низкой температуры. Полученные минералы (например, SiO2 полиморфы коэсит и стишовит ) и текстуры характерны для этих условий.

Динамический

Динамический метаморфизм связан с зонами высокого и среднего напряжения, такими как вина зоны. 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 механизмы деформации которые преобладают. На глубинах менее 5 км динамический метаморфизм возникает нечасто, поскольку ограничивающее давление слишком низкое для образования тепла трения. Вместо этого зона брекчия или катаклазит формируется, когда порода измельчается и разбивается на случайные фрагменты. Обычно это формирует меланж. На глубине угловатые брекчии переходят в вязкую структуру сдвига и в зоны милонита.

В диапазоне глубин 5–10 км, псевдотахилит формируется, потому что ограничивающего давления достаточно, чтобы предотвратить брекчирование и измельчение, и, таким образом, энергия сосредоточена на дискретных плоскостях разломов. В этом случае фрикционный нагрев может расплавить горную породу с образованием псевдотахилитового стекла.

В диапазоне глубин 10–20 км деформация определяется условиями пластической деформации, поэтому нагрев от трения рассеивается по всей поверхности. зоны сдвига, что приводит к более слабому тепловому отпечатку и распределенной деформации. Здесь деформация образует милонит, причем динаотермальный метаморфизм наблюдается редко, так как рост порфиробласты в зонах милонита.

Надвигающийся могут 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 и температуры, а также распространения разлома, а также могут быть датированный дать возраст колющих.

Классификация метаморфических пород

Метаморфических пород классифицируются по своему минеральному составу, материнская порода, также известная как протолит, и контекст (давление, температура, гидрологические особенности и т. д.) его образования.

Метаморфические фации

Метаморфические фации узнаваемы террейны или зоны с комплексом ключевых минералов, которые находились в равновесии в определенном диапазоне температуры и давления во время метаморфического события. Фации названы в честь метаморфической породы, образовавшейся в этих фациальных условиях из базальт. Фациальные отношения были впервые описаны Пентти Эскола в 1921 г.

Метаморфические фации по температуре и давлению
АКФ диаграммы совместимости (алюминий-кальций-железо), демонстрирующие фазовые равновесия в метаморфических основных породах при различных условиях P-T (метаморфические фации). Точки обозначают минеральные фазы, тонкие серые линии - равновесия между двумя фазами. Сокращения по минералам: act = актинолит; cc = кальцит; chl = хлорит; di = диопсид; ep = эпидот; глау = глаукофан; gt = гранат; hbl = роговая обманка; ky = кианит; закон = лавсонит; plag = плагиоклаз; om = омфацит; opx = ортопироксен; zo = цоизит
ТемператураДавлениеФации
НизкийНизкийЦеолит
Низкий СреднийНизкий СреднийПренит-пумпеллиит
От умеренного до высокогоНизкийHornfels
От низкого до среднегоОт умеренного до высокогоBlueschist
Умеренный → ВысокийУмеренныйЗеленый сланец →Амфиболит →Гранулит
От умеренного до высокогоВысокоЭклогит

См. Схему для более подробной информации.

Метаморфические сорта

Метаморфический класс неофициальное указание количества или степени метаморфизма.[10] Более полное указание на эту интенсивность или степень дается с концепцией метаморфические фации.[10]

В барровской последовательности (описанной Джордж Барроу в зонах прогрессивного метаморфизма в Шотландии) метаморфические степени также классифицируются по минеральным ассоциациям на основе появления ключевых минералов в породах пелитовый (шалевый, глиноземистый) происхождение:

Низкий сорт ------------------- Средний --------------------- Высокий сорт

Зеленые сланцы ------------- Амфиболит ----------------------- Гранулит
Шифер --- Филлит ---------- Сланец ---------------------- Гнейс --- Мигматит
Хлорит зона
Биотит зона
Гранат зона
Ставролит зона
Кианит зона
Силлиманит зона

Метаморфические процессы

(Слева) Беспорядочно ориентированные зерна в породе до метаморфизма. (Справа) Зерна выровнены ортогональный к прикладным стресс если горная порода подвергается напряжению во время метаморфизма

Перекристаллизация

При перекристаллизации зерна, составляющие протолит изменить 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 температуры плавления минерала на поверхности. Кельвин шкала.[11]

Изменение фазы

Фазовый метаморфизм - это создание новых минералов с той же химической формулой, что и протолит. Это включает перегруппировку атомов в кристаллах.

Неокристаллизация

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

Раствор под давлением

Основная статья: Раствор под давлением

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 в воде и выпадают в осадок в другом месте.

Пластическая деформация

При пластической деформации давление прикладывается к протолит, что заставляет его срезать или изгибаться, но не ломаться. Для этого температура должна быть достаточно высокой, чтобы не происходило хрупкого разрушения, но не настолько высокой, чтобы происходила диффузия кристаллов.[12]

Прогресс и ретроград

Метаморфизм делится на прямой и ретроградный метаморфизм. Прогрессивный метаморфизм предполагает смену минеральных ассоциаций (парагенезис ) при повышении температуры и (обычно) давления. Это реакции дегидратации в твердом состоянии, которые включают потерю летучих веществ, таких как вода или диоксид углерода. В результате прогрессирующего метаморфизма порода становится характеристикой максимального давления и температуры. Метаморфические породы обычно не претерпевают дальнейших изменений, когда они возвращаются на поверхность.

Ретроградный метаморфизм включает реконструкцию породы путем револатизации при понижении температуры (и обычно давления), позволяя 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.

Тектонические параметры

Дальнейшая информация: Метаморфизм зоны субдукции

Часто используемые диаграммы

Петрогенетическая сетка Al2SiO5
(несиликаты ).[13]

Петрогенетические сети

Дальнейшая информация: Петрогенетическая сетка

А петрогенетическая сетка геологический фазовая диаграмма это графики, полученные экспериментально метаморфические реакции при их давлении и температурном режиме для данного состава горных пород. Это позволяет геологам (в частности, петрологам-метаморфологам) определять условия давления и температуры, при которых породы метаморфизируются. Аль2SiO5 несиликатный Показанная фазовая диаграмма представляет собой очень простую петрогенетическую сетку для горных пород, состав которых состоит только из алюминий (Al), кремний (Si), и кислород (О). Поскольку порода подвергается разным температурам и давлению, это может быть любой из трех указанных полиморфный минералы. Для горных пород, содержащих больше элементов, петрогенетическая сетка быстро усложняется.

Диаграммы совместимости

Диаграммы совместимости предоставляют отличный способ проанализировать, как изменения в составе породы влияют на минерал парагенезис которая развивается в породе при определенных условиях давления и температуры.

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Маршака, стр.176
  2. ^ Вернон, 2008, стр. 1
  3. ^ а б Маршака, стр.177
  4. ^ Бухер, стр. 4.
  5. ^ https://www.tulane.edu/~sanelson/eens212/typesmetamorph.htm
  6. ^ Маршак, с. 187
  7. ^ Виноград, Р.Х., 2006. Пирометаморфизм. Springer Verlag, Берлин
  8. ^ Сокол Е.В., Максимова Н.В., Нигматулина Е.Н., Шарыгин В.В., Калугин В.М. Метаморфизм горения. Изд-во СО РАН, Новосибирск (на русском языке, с частями на английском)
  9. ^ Маршак, с. 190.
  10. ^ а б Маршак П. 183
  11. ^ Гиллен, стр. 31 год
  12. ^ Вернон, 1976, стр. 149.
  13. ^ Уитни, Д.Л. (2002). «Сосуществующие андалузит, кианит и силлиманит: последовательное образование трех Al2SiO5 полиморфы в процессе прогрессивного метаморфизма около тройной точки, Сиврихисар, Турция ". Американский минералог. 87 (4): 405–416. Bibcode:2002AmMin..87..405Вт. Дои:10.2138 / am-2002-0404. S2CID  131616262.

Рекомендации

  • Бухер, Курт, 2002 г., Петрогенезис метаморфических пород, Springer
  • Эскола П., 1920, Минеральные фации горных пород, Норск. Геол. Тидсскр., 6, 143–194
  • Гиллен, Корнелиус, 1982 г., Метаморфическая геология: введение в тектонические и метаморфические процессы, Лондон; Бостон: Дж. Аллен и Анвин ISBN  978-0045510580
  • Маршак, Стивен, 2009 г., Основы геологии, W. W. Norton & Company, 3-е изд. ISBN  978-0393196566
  • Вернон, Р. Х., 1976, Метаморфические процессы, Холстед Пресс
  • Вернон, Рональд Холден, 2008 год, Принципы метаморфической петрологии, Издательство Кембриджского университета ISBN  978-0521871785

дальнейшее чтение

  • Винтер Дж. Д., 2001, Введение в петрологию магматических и метаморфических пород, Прентис-Холл ISBN  0-13-240342-0.

внешняя ссылка