Лекция 1. Введение в метаморфическую петрологию.

дисциплина "ПЕТРОЛОГИЯ"
Заключительная часть:
"МЕТАМОРФИЧЕСКАЯ ПЕТРОЛОГИЯ"
Лекция 1
ВВЕДЕНИЕ В
МЕТАМОРФИЧЕСКУЮ
ПЕТРОЛОГИЮ
А.Л. Перчук
Фото М.А. Богомолова. Николи Х.
Основные положения прежние
• Перед каждой лекцией - проверочная работа на 10 минут по
пройденному материалу.
• Оценки выставляются по 10 бальной шкале*.
• Проверочные работы не переписываются.
• Семестр заканчивается экзаменом. Экзамен ставится автоматом
для тех, у кого средний балл не менее 9.0 и нет задолженностей
по семинарам.
* возможна апелляция
Лекции будут вывешиваться на сайте
3
http://www.geol.msu.ru/deps/petro/courses.htm
Дополнительная
литература
Spear F.S. (1993)
Metamorphic Phase
Equilibria and PressureTemperature-Time Paths,
799 p. Mineralogical
Society of America,
Washington.
Мы будем ориентироваться на ряд базовых принципов систематики
метаморфических пород, выработанных специальной комиссией при
Международном геологическом союзе (IUGS).
http://www.bgs.ac.uk/sc
mr/products.html
Products: полезные
главы. Почему бы не
скачать?
2007
Список доп. литературы
•
Bucher K., Grapes M. Petrogenesis of metamorphic rocks. 8th
edition, Springer-Verlag. 2011. - 428 рр
•
Winter J. D. Principles of Igneous and Metamorphic Petrology. 2nd
(second) edition, Pearson Prentice Hall. 2010. - 702 pp.
•
Best M.G. Igneous and Metamorphic Petrology. Oxford Blackwell
Science. 2nd ed. 2003 - 752 pp.
•
Philpots A.R., Аgue J.J. Principles of Igneous and Metamorphic
Petrology. Cambridge University Press, New York, 1990.- 667 pp.
•
Yardley B.W.D. (1989) An introduction to metamorphic petrology.
Longman earth science seires. 248 p.
•
Петрография Ч. III (под ред. А.А. Маракушева). М.: Изд.МГУ,
1976.- 384 с.
•
Маракушев А.А., Бобров А.В. Метаморфическая петрология. М.:
Изд-во Моск. ун-та: Наука, 2005. - 256 с.
Метаморфизм (от греч. «метаморфозис» - превращение) это геологический процесс твердофазного
преобразования породы под действием
температуры, давления и/или флюида, ведущий
к изменению по крайней мере одной из главных
характеристик породы - текстуры, структуры,
минерального и химического состава.
Будины биотит-кварц-ортопирксеновых гранофельсов в гнейсах. Гридинский комплекс, Карелия.
Где встречаются метаморфические породы?
www.ngdc.noaa.gov/mgg/topo/img/
www.ifa.hawaii.edu
м
Границы метаморфизма
нита
о
с гра
5
ии
ита
с пе р
идот
л ид у
“сухо
й” с о
лиду
ах су
б д у кц
в зо н
рм
ы
диагенез
осадков
й” со
 нижняя поверхность
Земли
 верхняя
граница мантии
с ядром
МЕТАМОРФИЗМ
“сухо
по Р
те
гео
гранит +Н2О
 нижняя диагенез
 верхняя ликвидус (при
нагревании)
(Р-Т условия на Земле
не реализуются)
ДАВЛЕНИЕ,ГПа
Граница
по Т
С/
к
"Запретная зона"
частичное плавление
ТЕМПЕРАТУРА, оС
корни гор
средняя
мощность
конт. коры
Границы метаморфизма
Нижняя температурная граница 100-200оС
является весьма условной. Она зависит от:
 литотипа породы
 пористости породы
 состава флюида и его присутствия.
Устанавливается по появлению в породе
низкотемпературных минералов
(цеолитов, стильпномелана, хлоритов и
др.)
Верхняя граница - устанавливается ликвидусу пород
при их прогреве (но не наоборот!).
Положение границы зависит от:
 литотипа пород
 состава флюида и его присутствия.
Плавление пород до ликвидусного состояния в
природе практически не достигается (в противном
случае мы бы наблюдали океаны магмы). Земле
просто не хватает тепла! Зато нередко
преодолевались Р-Т условия солидуса. Результат частичное плавление в коре и в мантии.
• В мигматитах проявлены и магматический, и
метаморфический процессы.
Мигматит, Тараташский комплекс
Положение
линий солидуса
и ликвидуса
перидотита в
сухой системе
метаморфизм
Цифрами показана степень
плавления. Данные (Katz et
al., 2003).
метаморфизм
Границы метаморфизма
0
о
Температура, С
1000
3000
5000
Давление, ГПа
200
100
300
Земная кора
Верхняя мантия
Переходная зона
Земная кора
1000
1000
Нижняя мантия
3000
4000
Внешнее ядро
5000
6000
2000
Глубина, км
Глубина, км
2000
Верхняя мантия
Переходная зона
Нижняя мантия
3000
4000
Внешнее ядро
5000
Внутреннее ядро
6000
Внутреннее ядро
Факторы метаморфизма
Метаморфизм начинается там, где изменился по крайней мере один из
этих параметров.
Факторы метаморфизма
Температура [оС, K]
Источники тепла: ранняя аккреция, кристаллизация внутреннего ядра и
распад радионуклеидов 235U —> 207Pb, 238U —> 206Pb, 40K —>
—> 208Pb.
Изменения температуры в результате:
 движения породы в условиях
неоднородного термального поля (напр.,
конвекция, субдукция);
 термального воздействия (напр., от
магматического очага).
Рост температуры способствует:
 протеканию метаморфических
реакций (преодолеваются кинетические
барьеры)
 рекристаллизации (увеличению
размера зерен)
 гомогенизации зональных кристаллов
 сокращению количества равновесных
фаз (в общем случае).
40Ar,
and
232Th
Геотермические градиенты в разных
геодинамических обстановках
зоны
субдукции
6
кратоны
o
30
C/
км
континентальные
рифты
/км
C
50
o
30
Глубина, км
Давление, кбар
8
5 oC/
км
10
20
4
островные дуги
2
0
0
10
контактовый метаморфизм
100
0
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Температура, оС
данные B. Hacker
http://www.geol.ucsb.edu/faculty/hacker/geo102C/lectures/part1.html
В
Тихий океан
А1
к ор а
глубина, км
Японское море
о. Сикоку
В1
островодужная
кора
З
слэб
а
мантия
B2
А2
6
А2
B2
область
магмагенерации
4
п
ть
с
о
ь
хн
фил
р
о
е
р
в
п
по
ный
ь
л
а
ик
верт
2
1
0
А1
Желтое поле –
магматический фронт.
В1
0
200
400
600
800
A1-A2 - геотерма вдоль
поверхности плиты
В1-В2 - геотермический
градиент.
ты
3
ли
Давление, ГПа
5
Различия между
геотермическим
градиентом и геотермой
на примере термальной
структуры зоны
субдукции под островом
Сикоку (Hacker et al.,
2003).
1000
Температура, оС
1200
1400
Геодинамическое моделирование тектоно-метаморфических процессов
Важно понимать, что реальные
геологические процессы сложно
описать в рамках простых
геотермических градиентов и даже
геотрем.
Наиболее сложные изменения
термальной структуры коры и
мантии происходят в зонах
конвергенции литосферных плит.
Давайте посмотрим
увлекательные сюжеты,
предсказываемые численным
моделированием, выполненным в
группе проф. Т.В. Гери
www.erdw.ethz.ch/people/tgerya
Факторы метаморфизма
Давление
[бар, Па]
10 кбар = 1 ГПа (гигапаскаль)
литостатическое (Ps) - равностороннее давление,
создается толщей вышележащих пород.
Связано c глубиной выражением Ps =  g z;
P= 1 кбар = 0.1 ГПа создается *
в перидотите ( =3300 кг/м3) – 3.0 км толщей,
в метаосадке ( =2700 кг/м3) – 3.7 км толщей
флюидное (Pf) - давление внутреннего и или
внешнего флюида; возможны разные
соотношения между Pf и Ps :
Pf < P s , Pf = P s и
Pf > Ps..
стрессовое - направленное давление.
* Н = кг м / с2 ; Па = Н/ м2
Анатомия давления
Имеется три главных компонента стресса
(механического напряжения, ), являющихся
взаимоперпендикулярными:
1 - максимальные стресс
2 - промежуточный стресс
3 - минимальные стресс
• Литостатическое давление создается при
равностороннем стрессе (гидростатические
условия)
Рs = (1 + 2 + 3 )/ 3, где 1 = 2 = 3
• Девиаторный стресс - неравностороннее
давление
Анатомия давления
Тензор напряжений
11
21
31
12
22
32
http://en.wikipedia.org/wiki/Stress_(mechanics)
Тензор напряжений или стресса (обозначается
символом , сигма) состоит из девяти величин,
представляющих механические напряжения в
произвольной точке нагруженного тела. Эти девять
величин записываются в виде таблицы, в которой по
главной диагонали стоят нормальные напряжения в трёх
взаимно перпендикулярных осях, а в остальных
позициях - касательные напряжения, действующие на
трёх взаимно перпендикулярных плоскостях.
13
23
33
Анатомия давления
Стрессовое давление
Влияет на
• перекристаллизацию
минералов
• деформации
• структуры и текстуры
Изменение гнейсовидности в зоне сдвиговых
деформаций.
 Принято считать, что стрессовое давление не
превышает 1 кбар и не приводит к смене минеральных
парагенезисов, т.е. стресс не является фактором
состояния. Однако некоторые результаты численного
моделирования показывают, что стрессовое давление
может вдвое превышать литостатическое
Рcтресcовое = 2 * Рлитостатическое.
Анатомия давления
Флюидное давление (Рf)
создается в межзерновом
пространстве. При этом поры
закрываются на глубинах более
30-40 км.
Pf > Ps на начальной стадии
реакций дегидратации. Чтобы
покинуть породу флюид либо
устремляется в ослабленные
Pf < Ps
зоны (фокусированный поток),
поток
Соотнощение между литостатическим
либо мигрирует по границам
(P =P ) и флюидным давлениями в породе.
Winter (2001) An Introduction to Igneous and
зерен (проникающий поток).
поток
Metamorphic Petrology.
s
lith
Волны пористости - особый случай проникающего потока, когда
Pf раскрывает поровое пространство. По мере исхода флюида из
породы, Pf снижается до Pf < Ps; т.е. миграция флюида возможна за
счет сил смачивания или при деформациях.
Флюидное давление
• Pf =  парциальных давлений летучих
компонентов (Pf = PH2O + PCO2 + …)
• XH2O + XCO2 + … = 1.0
• PH2O = XH2O x Pf
Золотое правило. Снижение содержание
летучего компонента i во флюиде сокращает
поле стабильности минерала, который содержит
этот компонент.
Напр., если водный флюид разбавить СО2 (т.е.
снизить XH2O ), то поле Р-Т стабильности
слюды сократится.
Факторы метаморфизма
Флюид
Флюид - субстанция, состоящая из летучих
компонентов и растворенных веществ, находящаяся в
надкритическом состоянии.
Флюид = летучие (H2O, CO2, CH , NO , N
(напр., Na+, Cl- и т.д.) компоненты.
компоненты
4
2
2
и др.) ±
растворенные
• Флюид нельзя отождествлять с газом или с жидкостью! Между газом и
жидкостью существует фазовая граница. Например, границу между водой и
водным паром мы видим, подогревая воду в котелке.
При температуре более 373 °C и давлении более
221 бар картина иная: сжатие пара не приводит к
образованию жидкости и наоборот. Фазовая граница
между жидкостью и паром исчезает, т.е. нет уже ни
жидкости, ни пара. Существует только особая
субстанция называемая флюидом.
Критическая точка для CO2 – Т = 31оС и Р = 74 бар.
В казане флюида нет! Почему?
Фазовая диаграмма для водного флюида
Критическая точка для Н2О - 373оС и 221 бар
P-T диаграмма с изоденсами
T- диаграмма с изобарами
Н2О
Температура, оС
Давление, кбар
ФЛЮИД
вода
ФЛЮИД
критическая
точка
вода+пар
0
Плотность, г/см3
пар
1
50
Температура, оС
450
Роль флюидов с метаморфических процессах
• Катализатор, а нередко и участник минеральных
реакций.
• Снижает температуру солидуса  частичное
плавление.
• Снижает прочность пород  деформации
• Растворяет и переотлагает компоненты пород.
NaCl
htt
p:/
/vs
ite
s.u
nb
.b r
/ ig
/la
bo
/if /
ind
ex
en
gli
sh
.h t
m
Источники информации о
составе флюида
• Флюидные включения
• Минеральные
парагенезисы
• Хим. состав пород
Магматический
Морская вода
?
Метаморфический
H2O
CO2
Метеорная вода
hays.outcrop.org
• Термодинамическое
моделирование
Bodnar Eurispet 2008
хризотил+ брусит +
арагонит+ сапонит+
гетит
хлорит+хризотил+
гематит+пирит
0
H2
500
СН4
1000
хлорит+хризотил+
магнетит+пирротин
CO2
1500
2000
2500
хлорит+антигорит+
амфибол+магнетит+
пирротин
3000
3500
хлорит+тальк+
амфибол+оливин+
магнетит+пирротин
4000
1e-24
1e-16 1e-8
моль/кг воды
1e-2
4500
100 200 300 400 500
о
Температура, С
Окисленный флюид (СО2>>[СH4 + Н2]) с глубиной становится
восстановленным (СО2<<[СH4 + Н2]).
Давление, бар
Изменение
состава
флюида
(рециклинг
морской воды)
и перидотитового субстрата
океанической
литосферы в
зоне
медленного
спрединга
(Силантьев и
др. 2011)
Изменение Т
с глубиной
Флюид
Разрез
Типы метаморфизма по масштабу
• региональный: проявлен на обширных
площадях (~десятки, тысячи и более
квадратных километров).
• локальный: имеет ограниченное
распространение в виду локальности
деформаций, флюидного и/или
термального воздействия
Типы метаморфизма
Разновидности
по масштабу
Региональный метаморфизм
Уральские горы - это ороген
 Орогенный
 Субдукционный
 Морского дна
 Погружения (захоронения).
Орогенный метаморфизм связан с процессами
формирования горных сооружений под влиянием
интенсивных восходящих тектонических движений,
скорость которых превышает скорость процессов,
ведущих к выравниванию поверхности.
Факторы метаморфизма:
метаморфизма Р, Т, флюид
Орогены и орогены..
• Холодные орогены - фанерозойские
складчатые пояса (Урал, Кавказ, Гималаи).
• Горячие орогены - метаморфические
комплексы щитов и фундамента платформ
(ТТГ, граниты, зеленокаменные пояса),
образованные в результате гравитационного
перераспределения вещества в раннем
докембрии (плюм-тектоника). Для горячих
орогенов характерен невысокий рельеф.
а
Кавказ
Балтийский щит
по масштабу
по масштабу
Тип метаморфизма
Типы
метаморфизма Региональный
метаморфизм
Субдукционный метаморфизм связан с изменением РТ условий и обильным флюидным воздействием
(факторы метаморфизма), возникающими в результате
погружения литосферных плит в зонах субдукции.
Изменения касаются как самих плит, так и висячего крыла
мантии, куда устремляются флюиды из субдуцирующей плиты.
H2O
висячее крыло
H2O
Типы метаморфизма
по масштабу
Региональный метаморфизм
Метаморфизм морского дна связан с
подводным преобразованием пород
океанической литосферы.
Факторы метаморфизма:
метаморфизма Т и флюид
Распространение
 области спрединга: высокий Т/Р
градиент + циркуляция горячей морской
воды.
 области перегиба литосферных плит:
малый Т/Р градиент + проникновение
по разломам морской воды.
Faccenda et al 2008
Типы метаморфизма
по масштабу
Региональный метаморфизм
Метаморфизм погружения (захоронения)
возникает в мощных толщах осадочных или
вулканических пород под воздействием геотермического
градиента и создаваемого ими давления.
Факторы метаморфизма:
метаморфизма Р и Т
Метаморфизм погружения, как правило, не связан с
• аномальными температурами
• тектоническими процессами
• магматизмом
• деформациями.
igppweb.ucsd.edu
Пример. Бенгальский залив
 осадки > 22 км (снос рек Ганг и Брахмапутра).
 Т в основании 250-300oC (P ~ 6 кбар)
В России: Каспий, моря Арктического бассейна и др.
Типы метаморфизма
• Контактовый
• Динамометаморфизм
по масштабу
Локальный метаморфизм
• Ударный (может региональным)
• Гидротермальный
Контактовый метаморфизм - это метаморфические преобразования
вмещающих пород в контактовых ореолах магматических тел.
 Главные факторы метаморфизма:
метаморфизма температура и флюид.
 Продукты контактового метаморфизма – роговики. Роговики
часто сохраняют текстуры и структуры исходных пород.
 Размер контактовых ореолов меняется от нескольких
сантиметров до нескольких километров. Зависит от
 температуры магмы
 размера и формы очага
 глубинности очага
 температуры вмещающих пород
 проницаемости вмещающих пород.
Изменение термального ореола, создаваемого дайкой
диабазов мощностью 1 км
Т на расстоянии 1 км от края дайки не превышает 200 оС.
Дайка
Расстояние, км
Линии остывания дайки (цифры - годы) мощностью 1 км, внедренной в холодные породы (исх Т=0oC). After Jaeger, (1968) Cooling and
solidification of igneous rocks. In H. H. Hess and A. Poldervaart (eds.), Basalts, vol. 2. John Wiley & Sons. New York, pp. 503-536. see also
Winter (2010)
Типы метаморфизма
по масштабу
Локальный метаморфизм
Контактовый метаморфизм
Схематическое
изображение
контактовых
изменений вокруг
гранитного интрузива
в зависимости от
протолита.
Перевод терминов:
Shale - глинистый
сланец.
Sandstone - песчаник.
Hornfels - роговики
Limestone - известняк
Winter (2010)
Протолит определяет информативность пород!
Типы метаморфизма
Динамометаморфизм (иногда называется
дислокационным) - это метаморфические
преобразования горных пород, возникающие в зонах
разломов, деформаций и надвигов.
Факторы состояния: стрессовое давление выше
литостатического; температура и флюид могут иметь
подчиненную роль.
При хрупких деформациях*
происходить дробление и
перетирание исходных пород
с образованием
специфических пород катаклазитов.
катаклазитов Процесс
низкотемпературный
(<~300oC) и малоглубинный
(верхняя кора).
* При хрупких деформациях нарушается сплошность пород, образуются трещины и разломы.
Типы метаморфизма
Динамометаморфизм
Динамометаморфизм, связанный
с пластическими деформациями,
свойственен глубинным процессам.
Проявлен в зонах сдвиговых деформаций или ширзонах (shear-zone).
Мощность:
Мощность от первых сантиметров
до сотен метров.
Протяженность:
Протяженность от десятков
метров до десятков-сотен км.
Гранат со структурой снежного кома.
comp1.geol.unibas.ch
Конвекция в мантии тоже
происходит за счет динамометаморфизма. Там процесс является,
безусловно, региональным.
В зонах пластических деформаций образуются специфические
Классическая ширзона в гранодиорите. www.
породы - милониты.
geoscienze.un ipd.it/egu-summerschool/photos/Fig06a.h
• Милонит – продукт динамометаморфизма, обладающий сланцеватой
(гнейсовидной) текстурой и признаками измельчения минералов,
вызванного пластическими деформациями. Ультрамилониты результат предельной милонитизации, затронувшей более 90
объемных процентов породы. "Прямые" гнейсы - разновидность
ультрамилонитов.
Прямые гнейсы на острове
Столбиха, Беломорье.
Обитатель этих мест
у меня на сапоге
Ширзона и
ультрамилониты на
леднике Franz Joseph,
Alpine Fault, South Island,
New Zealand
No scale. Enjoy the beauty.
users.monash.edu.au/~weinberg/Pages/Alpine_fault
Типы метаморфизма
Ударный (импактный)
метаморфизм — особая генетическая
категория метаморфических
процессов, вызванная соударениями
космических тел с Землей и между
собой.
Столкновение крупных метеоритов и
астероидов с поверхностью Земли
 длительность: наносекунды
 давление: 100-300 ГПа
 температура в точке удара: 10000-15000 оС
 подукты метаморфизма: импактиты
Крупнейший метеоритный кратер Вредефорд ( > 300 км), ЮАР образовался в
результате падения астероида ~5-10 км.
Возраст: ~2 млрд. лет назад (PR2).
Импактные события планетарного масштаба – столкновения
гигантских космических тел – планетезималей (протопланет) и
астероидов, происходившие на ранних стадиях формирования планет.
Молнии тоже порождают
ударно-метаморфический процесс
Лекция В.И. Фельмана на ISES-5
Старт космического корабля:
900 000 000 000 Дж
Взмах крыла пчелы
0.0009 Дж
Фульгуриты –
породы, образованные при ударе молнии
Гидротермальный метаморфизм - минералогические и
химические изменения пород по трещинам и
ослабленным зонам, вызванные миграцией горячих
растворов или газов.
кварцевая жила в гнейсе
Родная Чашковка
Гидротермальный метаморфизм и термальная структура в
областях активной вулканической деятельности
поддаются прямому изучению. В этом его коренное отличие от
иных метаморфических процессов. На рис. показана гидротермальнометаморфическая система в Mt. Cagua, Philippines (Bucher, Grapes,
2010; Reyes et al. 2003).
Пунктирные линии показывают
направление потока метеорных вод
Типы метаморфизма
по степени изменения хим. состава
исходной породы*
• изохимический метаморфизм происходит без
изменения хим. состава породы.
• аллохимический метаморфизм сопровождается
изменением хим. состава породы (привносом-вынос
компонентов флюидом). Метасоматоз - предельный
случай аллохимического метаморфизма, приводящий к
существенному изменению минерального и
химического состава пород под воздействием флюидов.
При метасоматозе отдельные инертные компоненты
системы становятся вполне подвижными.
Строгих границ изохимический мет-зм -аллохимический метаморфизм -метасоматоз не существует!
* рассматриваются изменения содержаний породообразующих или редких
компонентов. Летучие компоненты как правило не учитываются!
Изо- или аллохимический?
Начиная с 500-600оС, водный флюид превращается в
довольно насыщенный раствор. Посмотрим, что
происходит при его взаимодействии с кремнеземом.
60 г/кг H2O
Растворимость кварца в воде
при разных температурах
(Manning, 1994).
mH2O - моляльность - число
молей SiO2 в 1 кг Н2О
(1 моль SiO2 = 60 г.)
При рег. метаморфизме:
средний поток флюида
6 г/кг H2O
104 м3/м2 /млн лет Н2О =
104 т/м2/млн.лет Н2О
вынесет более 60 тонн SiO2
при 500оС.
Типы метаморфизма
по характеру изменения Р и Т
•Прогрессивный (проградный) - возрастание Р и/или Т (погружение
Давление
и/или нагревание)
• Регрессивный (ретроградный) - снижение Р и/или Т (подъем и/или
охлаждение)
• Метаморфизм может быть прогрессивным по Т и регрессивным по Р и
наоборот.
Температура
Р-Т тренд метаморфизма - сопряженное изменение Р и Т, которые
претерпела порода (комплекс).
Типы метаморфизма
Давление
Полициклический метаморфизм - проявление несколько этапов
метаморфизма, которые претерпела одна порода (комплекс).
Температура
На диаграмме схематично показан Р-Т тренд метаморфизма габброида в
основании коры (№1), который затем попал в зону коллизии (№2).
 Варианты могут быть самые разные. Давайте посмотрим анимацию
проф. Т.В. Гери (ISPET 2003).
Подведем некоторые итоги
 Метаморфические процессы как правило являются эндогенными, но
встречаются и экзогенные проявления, связанные с метеоритными
бомбардировками (ударный метаморфизм), подошвами лавовых потоков.
 Основные типы метаморфизма могут быть сведены в блок диаграмму.
ТИПЫ МЕТАМОРФИЗМА
по масштабу
региональный
локальный
орогенный
контактовый
морского дна
ударный
захоронения
по химизму
по изменению
РиТ
регрессивный
Метаморфические породы помнят, если не все, то
очень многое в своей истории. Поэтому они являются большими друзьями геологов и "модельеров".
 изменение температуры и давления
 флюидный режим
 возраст на разных этапах метаморфизма
 структурно-деформационные этапы
 скорости охлаждения, нагревания,
подъема, погружения
 магнитную намагниченность.
 протолит
По результатам изучения этих пород удается
реконструировать геологическую историю комплексов,
регионов и даже континентов.