Фации метаморфических пород

Фации метаморфических пород

В основу современного подразделения метаморфических пород положен принцип метаморфических фаций, разработанный П. Эскола (1915). Этот принцип опирается на приложение правила фаз Гиббса к минеральным ассоциациям, достигшим равновесия при образовании породы. В работах В. Гольдшмидта и П. Эскола была показана большая зависимость минеральных парагенезисов метаморфических пород от химизма исходных пород и термодинамических (РТ) условий метаморфизма. Понятие «фация метаморфизма» является фундаментальным в метаморфической петрологии. Вариантов определения фаций метаморфизма много. Классическое определение метаморфической фации формируется следующим образом: метаморфические фаций представляют собой группу пород, характеризующихся определенным рядом минералов, которые образовались в особых метаморфических условиях. Качественный и количественный минеральный состав пород в пределах конкретной фации изменяется в соответствии с изменением химического состава исходных пород.

Фации П. Эскола

Важным этапом в развитии учения о метаморфизме явилась работа П. Эскола (1915) о метаморфических фациях. Концепция метаморфических фаций изначально противопоставлялась понятию о метаморфических глубинных зонах. Несмотря на прогрессивность идей П. Эскола, в более поздней работе У. Грубенмана и П. Ниггли (1924) классификация метаморфических пород по-прежнему была основана на понятиях о глубинных зонах. В модифицированном виде классификация Грубенмана — Ниггли использовалась в геологической практике еще несколько десятилетий. Физические факторы метаморфизма (Т, Ргидр, Рстресс) сопоставлялись друг с другом.

Таблица № 1.

Однако к этому времени уже было известно, что в ряде примеров проявления регионального метаморфизма температура увеличивается; а давление остается почти постоянным. П. Эскола высказал предложение об отмене выражении эпи-, мезои катазона. В 1939 г. он писал: «До тех пор, пока пользуются этими выражениями, очень трудно избавиться от мысли о том, что глубинные зоны отражают глубину». Сравнение минеральных ассоциаций района Осло и Ориярви позволило П. Эскола (1915, 1920) впервые разработать фациальную систематику метаморфических пород. Он предложил понимать под метаморфической фацией совокупность пород различного состава, которые возникли при одинаковых или близких РТ-устовиях. Цитированное Г. Винклером (1979) определение метаморфической фации из работ П. Эскола 1920;1921 гг. дословно переведено в следующем виде: «метаморфические фации обозначают группу пород, характеризующихся определенным рядом минералов, которые при соответствующих условиях во время их формирования находились в состоянии совершенного равновесия друг с другом. Качественный и количественный минеральный состав пород данных фации постепенно изменяется в соответствием химического состава пород». Таким образом, термин фация метаморфических пород созвучен с понятиями фаций магматических и осадочных горных пород и в общем характеризует условия образования пород.

Таблица № 2.

Итак, в любой фации метаморфизма, породы которой находятся в химическом равновесии и достигли одинаковых условий температуры и давления, их минеральный состав определяется только химическим составом исходной породы.

• 1) санидиновую фацию; и критические минералы санидин и пижонит; нахождение пород этой фации в виде ксенолитов в вулканических породах указывает на пирометаморфические условия — очень высокую температуру и низкое давление (термальньй метаморфизм по В. Гольдшмидту);
• 2) пироксен-роговиковую фацию; критические ассоциации: диопсид + гиперстен и ортоклаз + андалузит; типичная геологическая позиция — во внутренних зонах контактовых ореолов (например, роговики типа Осло);
• 3) амфиболитовую фацию; критическая ассоциация: роговая обманка + плагиоклаз; преобладание в докембрийских областях (например, Ориярви в Финляндии) предполагает более высокие давления, чем в пироксен-роговиковой фации, тогда как присутствие во внешних зонах ореолов указывает на более низкие температуры, богатство водными минералами указывает на существенную роль водного флюида;
• 4) фацию зеленых сланцев; характерные ассоциации: мусковит + хлорит + кварц и альбит + эпидот + кварц, которые, судя по геологической позиции, представляют собой продукты регионального метаморфизма в верхних горизонтах земной коры, где температура и гидростатическое давление относительно низкие;
• 5) эклогитовую фацию; критическая ассоциация: омфацит + пироп + альмандин + рутил; благодаря их очень высокой плотности и некоторым особенностям залегания предполагается, что они образовались в очень глубинных условиях при крайне высоком давлении и высокой температуре;
• 6) гранулитовая фация; критическая ассоциация: кварц + ортоклаз + плагиоклаз + альмандин + гиперстен; характерно отсутствие роговой обманки, слюд, волластонита, гроссуляра; отсутствие водных минералов может свидетельствовать о «сухих» условиях; геологическое положение указывает на региональный метаморфизм при высоких температурах и давлениях, но вероятно, меньших, чем в эклогитовой фации;
• 7) фация эпидотовых амфиболитов; критическая ассоциация: кварц + альбит + эпидот + роговая обманка; геологическое положение и минералогия указывают на промежуточные условия между фациями зеленых сланцев и амфиболитов;
• 8) фация глаукофановых сланцев; критические минералы: глаукофан, кроссит, лавсонит, пумпеллиит. Некоторые аналогии позволили П. Эскола сопоставить эту фацию с эклогитовой, но считать ее более низкотемпературной.

П. Эскола обсуждал также вопрос о выделении цеолитовой фации и пришел к выводу, что выделять ее как метаморфическую фацию нет основания, но можно говорить о минеральной цеолитовой фации («образование цеолитов»).

Наиболее совершенной является схема фаций, предложенная Н. Л. Добрецовым, В. В. Реведатто, В. С. Соболевым и др. (1970). Объем фаций в предполагаемой схеме лишь приблизительно соответствует схемам П. Эскола и Ф. Тернера, поэтому встает вопрос о пересмотре традиционных названий фаций. В предполагаемой схеме фаций четко выделены фациальные серии, различающиеся по давлению.

Группа А. Фации низкого давления (контактово-термальный метаморфизм). Общее давление от 1 бар до 4 кбар. Сильные колебания давления Рн2о и Рсо2. Температурный интервал метаморфизма от 550 до 1200 °C.

А0 — спуррит-мервинитовая фация: Т = 900−1200 °С, Р — от 1 до 200−300 бар (характерна для ксенолитов в вулканических породах, находится в непосредственном контакте с изверженными породами основного состава); имеет крайне ограниченное распространение; для карбонатных пород разделена на мервинит-кальцитовую и монтичеллит-спуррит-тиллиитовую субфации.

А1 — пироксен-роговиковая фация: Т — от 700−800 до 900 °C, Р — от первых десятков и сотен бар до 1−2 кбар; ограничена сверху линией устойчивости силлиманита, кварца, волластонита с кальцитом, граната, биотита, а также линией плавления базальта; характерна для внутренних частей ореолов, генетически связанных с интрузиями габброидов; подразделяется на волластонит-геленит-анортитовую и гроссуляровую субфации.

А2 — амфибол-роговиковая фация: Т — от 550, чаще от 600 до 800 °C, Р от первых десятков бар до 3−4 кбар; ограничена сверх линией устойчивости альмандина, доломита, кальцита с кварцем; подразделяется на силлиманитовую и андалузитовую субфации амфиболовых роговиков.

А3 — мусковит-роговиковая фация: Т — менее 550−600 °С, Р от первых сотен бар до 2 кбар; породы этой фации обычно локализованы во внешних частях контактовых ореолов.

Группа В. Фации среднего давления (региональный или динамотермальный метаморфизм). Доля Рн2о во флюиде закономерно убывает от низкотемпературных фации В4 и В5 к высокотемпературным В1 и В2, где она опускается до 0,2−0,3 Робщ, напротив, РСО2 возрастает в соответствующих пределах. Общее давление меняется от 3−5 до 10−15 кбар, температурный интервал метаморфизма от 300−400 до 900−1000 °С.

В1 — гранулитовая фация (фация двупироксеновых гнейсов): Т от 750−800 до 900−1000 °С, Р — от 4−5 до 12−13 кбар; сверху по температуре и давлению поле фации ограничено линией плавления базальта, устойчивости альмандина и доломита; субфации не выделяются.

В2 — амфиболитовая фация (силлиманит-биотитовых гнейсов): Т = 650−800 °С, Р = 4−8 кбар; верхний температурный предел фации ограничивается равновесием Рп + Мп + Кпш + Кв > Гр + Би + Амф, исчезновением ромбических амфиболов и Би + Сил + Кв ассоциации; по давлению фации В1 и В2 отделены от фаций С1 и С2 линиями дистена и полной эклогитизации.

ВЗ — эпидот-эмфиболитовая фация (андалузит-мусковитовых сланцев): Т — от 500 до 600−650 °С, Р = 7,5−10 кбар; верхний температурный предел фации определяется устойчивостью Мус + Кв и Став + Кв; нижняя температурная граница фации фиксируется сменой альмандина хлоритом с кварцем, исчезновением роговой обманки, сменяющейся парагенезисом Акт + Эп + Аб, и ставролита, вытесняющегося хлоритоидом; по давлению фация В3 от фации С3 отделена линией устойчивости дистена.

В4 — фация зеленых сланцев: Т — от 350−400 до 500−550 °С, Р = 7−10 кбар; сверху по температуре она ограничена устойчивостью Хл + Кв, характеризуется отсутствием роговой обманки, альмандина и олигоклаза; в большей части фации устойчивы также пирофиллит и пумпеллиит; нижняя граница фации фиксируется отсутствием каолинита, диаспора, цеолитов и других высоководных Са-минералов, по давлению РТ-области зеленосланцевой фации и лавсонит-глаукофановойации разделяются линиями устойчивости Лав + Кв, арагонита и жадеита.

В5 — цеолитовая фация и региональный эпигенез. Температура метаморфизма от 100 до 300−350 °С, давление обычно не превышает 3−5 кбар.

Таблица № 3.

Группа С. Фации высокого давления. Давление изменяется от 8 кбар при низкой температуре и > 15 кбар при высокой температуре. Температурный интервал от 300 до 1000 °C. Метаморфиты локализуются в узких тектонических зонах (локальный и динамотермальный метаморфизм).

С1 — эклогитовия фация. Т = 850−1000 °С, Р свыше 14 кбар. Характерна ассоциация пиропа с омфацитом.

С2 — фация дистеновых гнейсов и амфиболитов. Т от 650 до 800−850 °С, Р — выше 10 кбар, иногда достигает в условиях земной коры 15−17 кбар; нижней границей фации является линия устойчивости Мус + Кв, ограничивающая устойчивость Ки + Кпш;

С3 — глаукофан-альмандиновая фация (дистен-мусковитовых сланцев): Т = 500−850 °С, Р — до 15 кбар и выше;

С4 — жадеит-лавсонит-глаукофановая фация: Т = 300−550 °С, Рвыше 8−10 кбар. Фация, для которой, очевидно, наиболее высокое давление при относительно низкой температуре, ограничено линией устойчивости Лав + Кв, глаукофана с лавсонитом или эпидотом, а также эпидотом и жадеитом.

Группа фаций сверхвысокого давления (развиты в мантии) — графит-пироповая ©, стишовитовая (Е) и алмазоносных эклогитов (D). Они доступны для непосредственного изучения в ксенолитах из кимберлитов и базальтов. Давление превышает 25−30 кбар, температура составляет около 900−1100 °С.

Основным условием применимости фациального анализа метаморфических образований является достижение состояния химического равновесия в породных системах или состояния, близкого к нему. Особенно существенно при этом соответствие правилу фаз Гиббса и отсутствие метастабильных равновесий в метаморфических породных системах.

Метаморфическая фация, по определению Н. Л. Добрецова и В. С. Соболева, есть РТ-область метаморфизма, ограниченная линиями нескольких наиболее важных реакций, удовлетворяющих условиям:

• 1) чтобы они имели место в наиболее распространенных по составу породах;
• 2) чтобы они, хотя бы примерно, соответствовали границам РТ-условий образования природных ассоциаций метаморфических пород.

Доля компонентов A, C, F, мол.%. В некоторых минералах из метаморфических пород.

Графическое изображение парагенезисов метаморфических пород