✖


Jump to content

Метаморфизм

(Перенаправлено из метаморфизма Програда )
Чтобы узнать о других значениях, см. Метаморфизм (значения) .
Схематическое изображение реакции метаморфизма . Сокращения минералов: act = актинолит ; хл = хлорит ; эп = эпидот ; гт = гранат ; hbl = роговая обманка ; плаг = плагиоклаз . Два минерала, представленные на рисунке, в реакции не участвуют, это могут быть кварц и калишпат . Эта реакция имеет место в природе при основной породы переходе из амфиболитовой фации в зеленосланцевую фацию .
Изображение кросс-поляризации тонкого среза гранат слюдяного - сланца в , Норвегия , из муниципалитета Саланген показывающее сильно деформированную ткань сланцев. Черный кристалл — гранат, нити розово-оранжево-желтого цвета — слюда мусковита , коричневые кристаллы — биотита слюда . Серые и белые кристаллы представляют собой кварц и (ограниченно) полевой шпат .

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

Существуют различные формы метаморфизма, в том числе региональный , контактный , гидротермальный , ударный и динамический метаморфизм. Они различаются характерными температурами, давлениями и скоростью, с которой они происходят, а также степенью участия химически активных жидкостей. Метаморфизм, происходящий при повышении давления и температурных условий, известен как прогрессивный метаморфизм , а понижение температуры и давления характеризует ретроградный метаморфизм .

Метаморфическая петрология - это изучение метаморфизма. Метаморфические петрологи в значительной степени полагаются на статистическую механику и экспериментальную петрологию, чтобы понять метаморфические процессы.

Метаморфические процессы

[ редактировать ]
(Слева) Беспорядочно ориентированные зерна в породе до метаморфизма. (Справа) Зерна располагаются ортогонально приложенному напряжению , если порода подвергается напряжению во время метаморфизма.

Метаморфизм — это набор процессов, посредством которых существующая порода преобразуется физически или химически при повышенной температуре без фактического плавления в какой-либо значительной степени. Важность нагревания в формировании метаморфических горных пород была впервые признана шотландским натуралистом-первопроходцем Джеймсом Хаттоном , которого часто называют отцом современной геологии. Хаттон писал в 1795 году, что некоторые скальные пласты Шотландского нагорья изначально представляли собой осадочные породы , но были преобразованы под воздействием сильной жары. [3]

Хаттон также предположил, что давление играет важную роль в метаморфизме. Эту гипотезу проверил его друг Джеймс Холл , который запечатал мел в импровизированный сосуд под давлением, сделанный из пушечного ствола, и нагрел его в чугунолитейной печи. Холл обнаружил, что при этом получается материал, сильно напоминающий мрамор , а не обычную негашеную известь , получаемую путем нагревания мела на открытом воздухе. Впоследствии французские геологи добавили метасоматизм , циркуляцию жидкостей через погребенные породы, в список процессов, способствующих метаморфизму. Однако метаморфизм может протекать и без метасоматоза (изохимический метаморфизм) или на глубинах всего в несколько сотен метров, где давления относительно невысоки (например, при контактном метаморфизме). [3]

Камень можно трансформировать, не плавя, потому что тепло вызывает разрыв атомных связей, позволяя атомам двигаться и образовывать новые связи 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 другой кристаллической структурой или химическим составом (неокристаллизация). [1] Превращение переводит минералы протолита в формы, более устойчивые (ближе к химическому равновесию ) в условиях давления и температуры, при которых происходит метаморфизм. [5] [6]

Обычно считается, что метаморфизм начинается при температуре от 100 до 200 ° C (от 212 до 392 ° F). Это исключает диагенетические изменения вследствие уплотнения и литификации , приводящие к образованию осадочных пород. [7] Верхняя граница метаморфических условий лежит на солидусе породы — температуре, при которой горная порода начинает плавиться. На этом этапе процесс становится огненным . [8] Температура солидуса зависит от состава породы, давления и насыщенности породы водой. в несколько сотен мегапаскалей (МПа). Типичные температуры солидуса варьируются от 650 ° C (1202 ° F) для влажного гранита при давлении [9] примерно до 1080 ° C (1980 ° F) для влажного базальта при атмосферном давлении. [10] Мигматиты — это породы, образовавшиеся на этом верхнем пределе и содержащие капсулы и прожилки материала, который начал плавиться, но еще не полностью отделился от огнеупорного остатка. [11]

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

Рекристаллизация

[ редактировать ]
Образец базальтовой руды с тонкой текстурой
Амфиболит, образовавшийся в результате метаморфизма базальта, имеет грубую текстуру.

Изменение размера и ориентации зерен в породе в процессе метаморфизма называется рекристаллизацией . Например, мелкие кристаллы кальцита в осадочных породах, известняке и меле превращаются в более крупные кристаллы в метаморфических породах, мраморе . [13] В метаморфизованном песчанике рекристаллизация исходных зерен кварцевого песка приводит к образованию очень компактного кварцита , также известного как метакварцит, в котором зачастую более крупные кристаллы кварца сцеплены между собой. [14] Рекристаллизации способствуют как высокие температуры, так и давления. Высокие температуры позволяют атомам и ионам в твердых кристаллах мигрировать, тем самым реорганизуя кристаллы, в то время как высокое давление вызывает растворение кристаллов внутри породы в точках их контакта ( раствор под давлением ) и повторное осаждение в поровом пространстве. [15]

При перекристаллизации характер минерала не меняется, а только его текстура. Рекристаллизация обычно начинается, когда температура достигает половины температуры плавления минерала по шкале Кельвина . [16]

Растворение под давлением начинается во время диагенеза (процесса литификации отложений в осадочную породу), но завершается на ранних стадиях метаморфизма. Для протолита песчаника разделительную линию между диагенезом и метаморфизмом можно провести в точке, где напряженные зерна кварца начинают замещаться новыми, недеформированными мелкими зернами кварца, образуя текстуру раствора , которую можно идентифицировать в тонких срезах под поляризационным микроскопом. . С увеличением степени метаморфизма дальнейшая рекристаллизация приводит к образованию пенистой текстуры , характеризующейся полигональными зернами, встречающимися в тройных стыках, а затем порфиробластической текстуры , характеризующейся грубыми, неравномерными зернами, включая некоторые более крупные зерна ( порфиробласты ). [17]

Милонит (под петрографическим микроскопом )

Метаморфические породы обычно имеют более крупнокристаллическую структуру, чем протолит, из которого они образовались. Атомы внутри кристалла окружены устойчивым расположением соседних атомов. Она частично отсутствует на поверхности кристалла, создавая поверхностную энергию , которая делает поверхность термодинамически нестабильной. Рекристаллизация до более крупных кристаллов уменьшает площадь поверхности и, таким образом, минимизирует поверхностную энергию. [18]

Хотя укрупнение зерен является распространенным результатом метаморфизма, сильно деформированная порода может устранить энергию деформации за счет рекристаллизации в мелкозернистую породу, называемую милонитом . Некоторые виды горных пород, например, богатые кварцем, карбонатными минералами или оливином, особенно склонны к образованию милонитов, тогда как полевой шпат и гранат устойчивы к милонитизации. [19]

Изменение фазы

[ редактировать ]
Фазовая диаграмма Al 2 SiO 5
( и силикаты )

Метаморфизм фазового перехода — это создание нового минерала с той же химической формулой, что и минерал протолита. Это включает в себя перестановку атомов в кристаллах. Примером могут служить алюмосиликатные минералы кианит , андалузит и силлиманит . Все три имеют одинаковый 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 при повышении температуры превращается непосредственно в силлиманит. [20] Аналогичное фазовое изменение иногда наблюдается между кальцитом и арагонитом , при этом кальцит превращается в арагонит при повышенном давлении и относительно низкой температуре. [21]

Неокристаллизация

[ редактировать ]

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

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

фаялит 3 Fe
2 СиО
4 + плагиоклаз CaAl
2 Си
22О
8 → гранат 2 CaFe
22Ал
2 Си
33О
12 		( Реакция 1 )

Между минералами могут происходить многие сложные высокотемпературные реакции без их плавления, и каждый образовавшийся минеральный комплекс дает нам представление о температуре и давлении 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 выделяют летучие вещества, такие как вода и углекислый газ . Во время метаморфизма базальта в эклогит в зонах субдукции водные минералы разрушаются, образуя обильное количество воды. [24] Вода поднимается в вышележащую мантию, где снижает температуру плавления мантийных пород, генерируя магму посредством плавления флюса . [25] Магма, полученная из мантии, может в конечном итоге достичь поверхности Земли, что приведет к извержениям вулканов. Возникающие в результате дуговые вулканы имеют тенденцию вызывать опасные извержения, поскольку высокое содержание воды делает их чрезвычайно взрывоопасными. [26]

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

роговая обманка 7 Ca 2 Mg 3 Al 4 Si 6 O 22 (OH) 2 + кварц 10 SiO 2 → куммингтонит 3 Mg 7 Si 8 O 22 (OH) 2 + анортит 14 CaAl 2 Si 2 O 8 + вода 4 Н 2 О ( Реакция 2 )
москвич 2 KAl 2 (AlSi 3 O 10 )(OH) 2 + кварц 2 SiO 2 → силлиманит 2 Al 2 SiO 5 + калиевый полевой шпат 2 KAlSi 3 O 8 + вода 2 Н 2 О ( Реакция 3 )

Пример реакции декарбонизации: [28]

кальцит СаСО 3 + кварц SiO 2 → волластонит CaSiO 3 + углекислый газ СО 2 ( Реакция 4 )

Пластическая деформация

[ редактировать ]

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

Типы

[ редактировать ]

Региональный

[ редактировать ]

Региональный метаморфизм — общий термин для обозначения метаморфизма, затрагивающего целые регионы земной коры. [30] Чаще всего речь идет о динамотермальном метаморфизме , протекающем в орогенных поясах (районах горообразования ), [31] но также включает погребальный метаморфизм , который возникает просто в результате захоронения горных пород на большую глубину под поверхностью Земли в опускающемся бассейне. [32] [33]

Динамотермический

[ редактировать ]
Метаморфическая порода, деформированная во время Варисканской складчатости , в Валь-де-Кардос , Лерида , Испания.

Для многих геологов региональный метаморфизм практически является синонимом динамотермального метаморфизма. [30] Эта форма метаморфизма происходит на границах сходящихся плит , где две континентальные плиты или континентальная плита и островная дуга сталкиваются . Зона столкновения становится поясом горного образования, называемым орогенией . Для орогенного пояса характерно утолщение земной коры, при котором 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 обнажений метаморфических пород. [35] характерны для горных цепей. [33]

Метаморфические породы, образовавшиеся в этих условиях, имеют тенденцию иметь хорошо развитую слоистость . [33] Слоистость развивается, когда порода укорачивается вдоль одной оси во время метаморфизма. Это заставляет кристаллы пластинчатых минералов, таких как слюда и хлорит , вращаться так, что их короткие оси параллельны направлению укорочения. В результате получается полосчатая или слоистая порода, полосы которой имеют цвет минералов, из которых они образовались. Рассланцованная порода часто имеет плоскости спайности . Сланец является примером расслоенной метаморфической породы, происходящей из сланца , и обычно имеет хорошо развитый раскол, который позволяет сланцу раскалываться на тонкие пластины. [36]

Тип развивающейся слоистости зависит от степени метаморфизма. Например, начиная с аргиллита , с повышением температуры развивается следующая последовательность: аргиллит сначала превращается в сланец, который представляет собой очень мелкозернистую, слоистую метаморфическую породу, характерную для метаморфизма очень низкой степени. Сланец, в свою очередь, превращается в филлит , который является мелкозернистым и встречается в районах слабого метаморфизма. Сланец от среднего до крупнозернистого и встречается в районах средней степени метаморфизма. Высокоуровневый метаморфизм превращает породу в гнейс , от грубозернистого до очень крупнозернистого. [37]

Породы, подвергшиеся равномерному давлению со всех сторон, или те, в которых отсутствуют минералы с характерными особенностями роста, не будут расслоены. В мраморе отсутствуют пластинчатые минералы, и он, как правило, не расслаивается, что позволяет использовать его в качестве материала для скульптуры и архитектуры.

Коллизионным складчатым образованиям предшествует субдукция океанической коры. [38] Условия внутри погружающейся плиты, когда она погружается в мантию в зоне субдукции, вызывают свои собственные характерные региональные метаморфические эффекты , характеризующиеся парными метаморфическими поясами . [39]

Новаторская работа Джорджа Барроу по региональному метаморфизму в Шотландском нагорье показала, что некоторый региональный метаморфизм образует четко определенные, картографируемые зоны возрастающей степени метаморфизма. Этот барровский метаморфизм является наиболее признанной метаморфической серией в мире. Однако барровский метаморфизм специфичен для пелитовых пород, образовавшихся из аргиллитов или алевролитов , и не уникален даже для пелитовых пород. Другая последовательность на северо-востоке Шотландии определяет метаморфизм Бьюкена , который происходил при более низком давлении, чем барровский период. [40]

Похороны

[ редактировать ]
Сиу-кварцит, продукт погребального метаморфизма.

Погребальный метаморфизм происходит просто за счет захоронения горных пород на большую глубину под поверхностью Земли в опускающемся бассейне. [33] Здесь порода подвергается воздействию высоких температур и огромному давлению, вызванному огромным весом верхних слоев породы. Погребальный метаморфизм имеет тенденцию образовывать низкосортные метаморфические породы. Здесь нет никаких эффектов деформации и складчатости, столь характерных для динамотермального метаморфизма. [41]

Примеры метаморфических пород, образовавшихся в результате погребального метаморфизма, включают некоторые породы Среднеконтинентальной рифтовой системы Северной Америки, такие как сиу-кварцит , [42] и в бассейне Хамерсли в Австралии. [43]

Контакт

[ редактировать ]
Метаморфический ореол в горах Генри, штат Юта. Сероватая порода наверху — это магматическая интрузия, состоящая из порфирового гранодиорита из гор Генри лакколита , а розоватая порода внизу — это осадочная вмещающая порода, алевролит. Между ними метаморфизованный алевролит виден как в виде темного слоя (мощностью около 5 см), так и в виде светлого слоя под ним.

Контактный метаморфизм обычно происходит вокруг интрузивных магматических пород в результате повышения температуры, вызванного внедрением магмы в более холодные вмещающие породы . Область вокруг интрузии, где присутствуют эффекты контактного метаморфизма, называется метаморфическим ореолом . [44] контактный ореол , или просто ореол. [45] Контактные метаморфические породы обычно называют роговиками . Породы, образовавшиеся в результате контактного метаморфизма, могут не иметь признаков сильной деформации и часто являются мелкозернистыми. [46] [47] и чрезвычайно жесткий. [48] Святочный мрамор, использованный для внешней отделки Мемориала Линкольна и Могилы Неизвестного солдата на Арлингтонском национальном кладбище, образовался в результате контактного метаморфизма. [49]

Контактовый метаморфизм в большей степени примыкает к интрузии и затухает по мере удаления от контакта. [50] Размер ореола зависит от тепла интрузии, его размера и разницы температур с вмещающими породами. Дайки обычно имеют небольшие ореолы с минимальным метаморфизмом, простирающиеся не более чем на одну или две толщины даек в окружающую породу. [51] тогда как ореолы вокруг батолитов могут иметь ширину до нескольких километров. [52] [53]

Степень метаморфизма ореола измеряется пиком метаморфического минерала, который образуется в ореоле. Обычно это связано с температурами метаморфизма пелитовых или алюмосиликатных пород и образуемых ими минералов. Метаморфические степени ореолов на небольшой глубине представлены альбит - эпидотовыми роговиками, роговообманковыми роговиками, пироксеновыми роговиками и силлиманитовыми роговиками в порядке возрастания температуры образования. Однако альбит-эпидотовые роговики часто не образуются, хотя это самая низкая температурная категория. [54]

могут принимать участие и магматические флюиды, поступающие из интрузивных пород В реакциях метаморфизма . Обширное добавление магматических флюидов может существенно изменить химический состав затронутых пород. В этом случае метаморфизм переходит в метасоматоз . Если внедренная порода богата карбонатами, в результате образуется скарн . [55] Богатые фтором магматические воды, покидающие остывающий гранит, часто могут образовывать грейзены внутри и рядом с контактом гранита. [56] Метасоматически измененные ореолы могут локализовать отложение металлических рудных минералов и поэтому представляют экономический интерес. [57] [58]

Фенитизация , или Na-метасоматоз , — своеобразная форма контактного метаморфизма, сопровождающаяся метасоматозом. Это происходит вокруг вторжений редкого типа магмы, называемого карбонатитом , который сильно обогащен карбонатами и беден кремнеземом . Охлаждающие тела карбонатитовой магмы по мере затвердевания выделяют высокощелочные жидкости, богатые натрием, а горячая реакционноспособная 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

[ редактировать ]

Гидротермальный метаморфизм – результат взаимодействия 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 внедрившейся магмы), циркулирующими грунтовыми водами или океанскими водами. [33] Конвективная циркуляция гидротермальных жидкостей в базальтах океанского дна вызывает обширный гидротермальный метаморфизм, прилегающий к спрединговым центрам и другим подводным вулканическим областям. Жидкости в конечном итоге уходят через отверстия на дне океана, известные как черные курильщики . [62] Закономерности этих гидротермальных изменений используются как ориентир при поиске месторождений ценных металлических руд. [63]

Шок

[ редактировать ]
Основная статья: Ударный метаморфизм

Ударный метаморфизм возникает при столкновении внеземного объекта ( например, метеорита ) с поверхностью Земли. Таким образом, ударный метаморфизм характеризуется условиями сверхвысокого давления и низкой температуры. Образующиеся минералы (такие как SiO 2 полиморфы коэсит и стишовит ) и текстуры характерны для этих условий. [64]

Динамический

[ редактировать ]

Динамический метаморфизм связан с зонами высокого напряжения, такими как зоны разломов . [33] В таких условиях механическая деформация более важна, чем химические реакции при преобразовании породы. Минералы, присутствующие в породе, часто не отражают условий химического равновесия, а текстуры, возникающие в результате динамического метаморфизма, имеют большее значение, чем минеральный состав. [65]

Существует три механизма деформации, с помощью которых горные породы механически деформируются. Это катаклаз , деформация горных пород посредством разрушения и вращения минеральных зерен; [66] пластическая деформация отдельных кристаллов минералов; и движение отдельных атомов посредством диффузионных процессов. [67] Текстуры зон динамического метаморфизма зависят от глубины их формирования, поскольку температура и всестороннее давление определяют преобладающие механизмы деформации. [68]

На самых малых глубинах зона разлома будет заполнена различными видами рыхлых катакластических пород , таких как разломы или разломные брекчии . На больших глубинах они заменяются консолидированной катакластической породой, такой как раздробленная брекчия , в которой более крупные фрагменты породы сцементированы вместе кальцитом или кварцем. На глубине более 5 километров (3,1 мили) катаклазиты появляются ; Это довольно твердые породы, состоящие из раздробленных обломков породы в кремнистой матрице, образующейся только при повышенной температуре. На еще большей глубине, где температура превышает 300 °C (572 °F), берет верх пластическая деформация, и зона разлома состоит из милонита. Милонит отличается сильной слоистостью, которая отсутствует в большинстве катакластических пород. [69] Он отличается от окружающей породы более мелким размером зерен. [70]

Имеются убедительные доказательства того, что катаклазиты образуются как в результате пластической деформации и рекристаллизации, так и в результате хрупкого разрушения зерен, и что порода никогда не может полностью потерять сцепление во время этого процесса. Различные минералы становятся пластичными при разных температурах, причем кварц одним из первых становится пластичным, а расслоенная порода, состоящая из разных минералов, может одновременно проявлять как пластическую деформацию, так и хрупкое разрушение. [71]

Скорость деформации также влияет на способ деформации горных пород. Пластическая 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 настолько сильно нагрета, что на короткое время плавится, образуя стекловидную породу, называемую псевдотахилитом . [72] [73] Псевдотахилиты, по-видимому, ограничиваются сухими породами, такими как гранулит. [74]

Классификация метаморфических пород

[ редактировать ]
Основная статья: Метаморфические породы § Классификация

Метаморфические породы классифицируются по их протолиту, если это можно определить по свойствам самой породы. Например, если исследование метаморфической породы покажет, что ее протолит был базальтом, ее будут называть метабазальтом. Когда протолит невозможно определить, породу классифицируют по минеральному составу или степени слоения. [75] [76] [77]

Метаморфические сорта

[ редактировать ]

Степень метаморфизма является неофициальным показателем количества или степени метаморфизма. [78]

В барровской толще (описанной Джорджем Барроу в зонах прогрессивного метаморфизма в Шотландии) степени метаморфизма также классифицируются по минеральным ассоциациям на основе появления ключевых минералов в породах пелитового (сланцевого, глиноземистого) происхождения:

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

Зеленый сланец ------------- Амфиболит ----------------------- Гранулит
Сланец --- Филлит ---------- Сланец ---------------------- Гнейс --- Мигматит
Хлоритовая зона
Биотитовая зона
Гранатовая зона
Ставролитовая зона
Кианитовая зона
Силлиманитовая зона

Более полное представление об этой интенсивности или степени дает понятие о метаморфических фациях . [78]

Метаморфические фации

[ редактировать ]
Основная статья: Метаморфические фации

Метаморфические фации — это узнаваемые террейны или зоны с комплексом ключевых минералов, которые находились в равновесии при определенном диапазоне температур и давлений во время метаморфического события. Фации названы по метаморфической породе, образовавшейся в этих фациальных условиях из базальта . [79]

Конкретный минеральный комплекс 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 метаморфические породы с настолько широким диапазоном составов, насколько это практически возможно, могут быть отнесены к определенной фации. Нынешнее определение метаморфической фации во многом основано на работе финского геолога Пентти Эскола , сделанной в 1921 году, с уточнениями, основанными на последующих экспериментальных работах. Эскола опирался на зональные схемы, основанные на индексных минералах, впервые предложенные британским геологом Джорджем Барроу . [12]

Метаморфическая фация обычно не учитывается при классификации метаморфических пород на основе протолита, минерального типа или текстуры. Однако некоторые метаморфические фации образуют породы такого своеобразного характера, что название фации используется для породы, когда более точная классификация невозможна. Главные примеры — амфиболит и эклогит . Британская геологическая служба настоятельно не рекомендует использовать гранулит в качестве классификации пород, метаморфизованных в гранулитовую фацию. Вместо этого такую ​​породу часто классифицируют как гранофель. [76] Однако это не является общепринятым. [77]

Температуры и давления метаморфических фаций
Температура Давление Фации
Низкий Низкий Цеолит
Нижний Умеренный Нижний Умеренный Пренит-пумпеллит
От умеренного до высокого Низкий Роговик
От низкого до среднего От умеренного до высокого Синий сланец
Умеренный → Высокий Умеренный Greenschist → Amphibolite → Granulite
От умеренного до высокого Высокий Эклогит

Более подробную информацию смотрите на схеме.

Проградный и ретроградный

[ редактировать ]

Метаморфизм далее подразделяется на прогрессивный и ретроградный метаморфизм . Проградный метаморфизм предполагает смену минеральных комплексов ( парагенезис ) с увеличением температурных и (обычно) барических условий. Это реакции дегидратации в твердом состоянии, которые включают потерю летучих веществ, таких как вода или диоксид углерода. Прогрессивный метаморфизм приводит к образованию пород, характеризующихся максимальными испытываемыми давлением и температурой. Метаморфические породы обычно не претерпевают дальнейших изменений, когда их возвращают на поверхность. [80]

Ретроградный метаморфизм включает в себя восстановление породы посредством револатизации при понижении температуры (и обычно давления), что позволяет минеральным комплексам, образовавшимся при прогрессивном метаморфизме, вернуться к более стабильным в менее экстремальных условиях. Это относительно редкий процесс, поскольку летучие вещества, образующиеся в ходе прогрессивного метаморфизма, обычно мигрируют из породы и не могут рекомбинироваться 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.

[ редактировать ]
Петрогенная сетка, показывающая границы фаз силикат алюминия-мусковит-кварц-калишпат
ACF Диаграммы совместимости (алюминий-кальций-железо), показывающие фазовые равновесия в метаморфических основных породах при различных PT-обстоятельствах (метаморфические фации). Точки представляют минеральные фазы, тонкие серые линии — равновесие между двумя фазами. Минеральные сокращения: act = актинолит ; cc = кальцит ; хл = хлорит ; ди = диопсид ; эп = эпидот ; глау = глаукофан ; гт = гранат ; hbl = роговая обманка ; ky = кианит ; закон = лавсонит ; плаг = плагиоклаз ; ом = омфацит ; opx = ортопироксен ; зо = цоизит

Метаморфические процессы приближают протолит к термодинамическому равновесию , которое является его состоянием максимальной стабильности. Например, напряжение сдвига (негидродинамическое напряжение) несовместимо с термодинамическим равновесием, поэтому расколотая порода будет иметь тенденцию деформироваться таким образом, чтобы снять напряжение сдвига. [81] Наиболее устойчивым комплексом минералов для породы данного состава является тот, который минимизирует свободную энергию Гиббса. [82]

где:

Другими словами, метаморфическая реакция произойдет только в том случае, если она снизит общую свободную энергию Гиббса протолита. Рекристаллизация в более крупные кристаллы снижает свободную энергию Гиббса за счет уменьшения поверхностной энергии. [18] в то время как фазовые изменения и неокристаллизация уменьшают объемную свободную энергию Гиббса. Реакция начнется при температуре и давлении, при которых свободная энергия Гиббса реагентов становится больше, чем у продуктов. [83]

Минеральная фаза обычно будет более стабильной, если она имеет более низкую внутреннюю энергию, что отражает более тесную связь между ее атомами. Фазы с более высокой плотностью (выраженной как меньший молярный объем V ) более стабильны при более высоком давлении, тогда как минералы с менее упорядоченной структурой (выраженной как более высокая энтропия S ) предпочтительнее при высокой температуре. Таким образом, андалузит стабилен только при низком давлении, поскольку он имеет самую низкую плотность среди всех полиморфных модификаций силиката алюминия, тогда как силлиманит является стабильной формой при более высоких температурах, поскольку он имеет наименее упорядоченную структуру. [84]

Свободная энергия Гиббса конкретного минерала при заданных температуре и давлении может быть выражена различными аналитическими формулами. Они калибруются по экспериментально измеренным свойствам и фазовым границам минеральных комплексов. Равновесный минеральный комплекс для данного объемного состава породы при заданной температуре и давлении затем можно рассчитать на компьютере. [85] [86]

Однако часто бывает очень полезно представить равновесные минеральные комплексы с помощью различного рода диаграмм. [87] К ним относятся петрогенетические сетки [88] [89] и диаграммы совместимости (композиционные фазовые диаграммы). [90] [91]

Петрогенетические сетки

[ редактировать ]
Основная статья: Петрогенетическая сетка

Петрогенетическая сетка представляет собой геологическую фазовую диаграмму , на которой изображены экспериментально полученные метаморфические реакции при их давлении и температурных условиях для данного состава породы. Это позволяет петрологам-метаморфистам определять условия давления и температуры, при которых метаморфизуются горные породы. [88] [89] Al 2 SiO 5 Показанная фазовая диаграмма неосиликата представляет собой очень простую петрогенетическую сетку для горных пород, состав которых состоит только из алюминия (Al), кремния (Si) и кислорода (O). Поскольку порода подвергается разным температурам и давлению, это может быть любой из трех данных полиморфных минералов. [84] Для породы, содержащей несколько фаз, можно провести границы между многими фазовыми превращениями, хотя петрогенетическая сетка быстро усложняется. Например, петрогенетическая сетка может показывать как фазовые переходы силиката алюминия, так и переход от силиката алюминия плюс калиевый полевой шпат к мусковиту плюс кварц. [92]

Диаграммы совместимости

[ редактировать ]
Основная статья: Диаграмма совместимости

В то время как петрогенетическая сетка показывает фазы одного состава в диапазоне температуры и давления, диаграмма совместимости показывает, как минеральный комплекс меняется в зависимости от состава при фиксированной температуре и давлении. Диаграммы совместимости предоставляют отличный способ проанализировать, 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 строятся только три наиболее важных компонента, хотя иногда диаграмма совместимости для четырех компонентов строится в виде спроецированного тетраэдра . [93]

См. также

[ редактировать ]

Сноски

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

Ссылки

[ редактировать ]

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Винтер JD, 2001, Введение в магматическую и метаморфическую петрологию , Прентис-Холл. ISBN   0-13-240342-0 .
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Metamorphism&oldid=1236630098#Prograde_and_retrograde"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 67860b9b043e6991bb9b13a3c1b27a5c__1721922060
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/67/5c/67860b9b043e6991bb9b13a3c1b27a5c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Metamorphism - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)