10. Metamorfizm.pdf

Rozdział X

MET AMORFIZM

1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE

Określenie i rodzaje metamorfizmu. Procesy magmatyczne, pluto-

niczne i diastroficzne mogą spowodować przemiany mineralne i struk

turalne skał, gdy te znajdą się w ich zasięgu. Minerały są trwałe tylko

w pewnych granicach temperatury i ciśnienia. Skoro skały zostaną pod

dane wyższej temperaturze lub ciśnieniu albo obu tym czynnikom, wyż

szym od tych, które działały przy ich powstaniu, ulegają przeobraże

niom. Zmiany wywołane tymi czynnikami polegają na sprasowaniu

skały (złupkowaceniu), na jej przekrystalizowaniu oraz na powstaniu

nowych minerałów. Przeobrażenia te obejmują całą skałę, a nie tylko

poszczególne jej składniki, toteż skutkiem przemian powstaje nowa

skała, odmienna mineralnie, strukturalnie i teksturalnie a nieraz i che

micznie od skały pierwotnej. Przeobrażenia tego rodzaju otrzymały

nazwę metamorfizmu (od greek, metamorphosis — przeobraże

nie). Przeobrażenia te nie polegają jednak na zupełnym rozpuszczeniu

lub stopieniu się skały, co odróżnia metamorfizm od plutonizmu. Meta-

morfizmowi mogą ulec wszystkie skały zarówno ogniowe, jak osadowe.

Wietrzenie i częściowo diageneza są również podobnymi procesami,

ale odbywają się we względnie niskich temperaturach i przy małym

ciśnieniu blisko powierzchni skorupy ziemskiej. Przeobrażenia meta

morficzne polegają na działaniu wysokiej temperatury oraz ciśnienia

i odbywają się w głębi ziemi. Stoją one w ścisłym związku przyczyno

wym z procesami magmatycznymi, plutonicznymi i diastroficznymi.

Przyczyny powodujące te przeobrażenia mogą być następujące:

1) Skały mogą dostać się w sąsiedztwo mas ogniowych, np. wsku

tek iniekcji lub intruzji magmowych do wyższych części skorupy ziem

skiej. Pod wpływem wysokiej temperatury intrudujących mas skały są

siadujące z intruzją, czyli kontaktujące z nią, ulegają przeobrażeniu.

Jest to metamorfizm termiczny (kontaktowy).

2) Skały zostają poddane w strefach fałdowych dużemu ciśnieniu,

które jest głównym czynnikiem, wywołującym przeobrażenia, natomiast

temperatura albo nie odgrywa żadnej roli, albo jest czynnikiem ubocz

nym. Ciśnienie ma charakter głównie ciśnienia bocznego (tangencjal-

nego). Jest to metamorfizm dyslokacyjny, zwany też dyna

micznym (dynamometamorfizm), polegający na tym, że źródłem prze

obrażeń jest ruch mas skalnych wywołanych ciśnieniem górotwórczym.

586

3) Skały wskutek ruchów tektonicznych mogą zostać pogrążone do

znacznych głębokości, gdzie zostają poddane zarówno dużemu ciśnieniu

pionowemu, jak też wysokiej temperaturze. Dolne części stref fałdo

wych lub dolne części pogrążających się geosynklin, a może też konty

nentów, mogą ulec w tych warunkach metamorfizmowi, który w prze

ciwieństwie do bardziej zlokalizowanego charakteru metamorfizmu kon

taktowego lub dyslokacyjnego może obejmować wielkie obszary. Stąd

określa się ten rodzaj przeobrażeń jako metamorfizm regio

nalny.

Przy rodzajach metamorfizmu wymienionych pod 1—3 nie zostają

doprowadzone z zewnątrz żadne substancje i ogólny skład chemiczny

pozostaje niemal bez zmiany, mimo zachodzących przeobrażeń mine

ralnych. Ten typ metamorfizmu określa się jako izochemiczny.

4) Przy wszystkich trzech wymienionych rodzajach metamorfizmu

może się zdarzyć, że minerały nie tylko reagują ze sobą i z roztworami,

które były już pierwotnie zawarte w skałach, ale do skał mogą zostać

doprowadzone z głębi roztwory lub gazy. Wtedy w warunkach wyso

kiego ciśnienia i wysokiej temperatury nastąpią skomplikowane reak

cje, polegające na rozpuszczaniu i wypieraniu jednych minerałów a po

wstawaniu nowych, wzbogaconych w składniki, które przywędrowały

z zewnątrz. Ten rodzaj przeobrażeń, polegający na przepojeniu skały

obcymi roztworami w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia,

można określić jako metamorfizm metasomatyczny (im-

bibicyjny). Coraz więcej jest dowodów, że wymienione pod 1—3 ro

dzaje metamorfizmu rzadko kiedy rozwijają się w czystej postaci bez

dopływu substancji obcych.

Przy tym rodzaju metamorfizmu skład chemiczny może ulec dużym

zmianom wskutek wprowadzenia jednych a usunięcia innych składni

ków. Jest to metamorfizm allochemiczny. W wymienionych do

tąd sposobach metamorfizmu skały nie metamorfizowane stają się zme-

tamorfizowanymi, albo też skały słabo zmetamorfizowane w miarę

zwiększania się ciśnienia, temperatury lub przepajania osiągają wyż

szy stopień metamorfizmu. We wszystkich tych sposobach zmiany bie

gną w kierunku zwiększenia się metamorfizmu, a więc metamorfizm

jest progresywny.

5) Zdarza się jednakowoż, że skały zmetamorfizowane w warunkach

wysokiego ciśnienia i temperatury zostaną szybko, w gwałtowny spo

sób przy ruchach górotwórczych wydźwignięte i dostaną się w warunki

niższego ciśnienia i temperatury. Ulegają one wtedy przeobrażeniom,

które nazwano metamorfizmem retrogresywnym (wstecz

nym), czyli diaftorezą (greek, diaftoresis — zupełne zniszczenie).

6) Jak zaznaczono powyżej, procesy metamorficzne nie prowadzą

zasadniczo do stopienia się skały. Stopienie się skały, prowadzące do

powstania magmy, jest procesem plutonicznym. Jednakowoż skały mogą

zostać częściowo przetopione lub przeniknięte produktami przetopienia.

Zmiany w ten sposób wywołane określa się jako ultrametamor-

f i z m. Jest to proces stojący na granicy zjawisk plutonicznych i meta

morficznych.

Produktem metamorfizmu są skały metamorficzne, które można prze

ciwstawić skałom osadowym i ogniowym. Mają one zwykle wskutek

587

sprasowania teksturę łupkową, toteż nazywa się je łupkami meta

morficznymi. Ponieważ są też z reguły przekrystalizowane, na

zywa się je nieraz łupkami krystalicznymi. Powstają one

albo z przeobrażenia skał ogniowych, wtedy noszą nazwę ortołup-

k ó w, lub skał osadowych, wtedy mówi się o parałupkach. Roz

poznanie pochodzenia łupków metamorficznych jest na ogół trudne,

ale zazwyczaj duże ilości glinki i krzemionki przy niedostatku alka

liów, a zwłaszcza sodu wskazują na pochodzenie osadowe.

Deformacje kataklastyczne, plastyczne i blastyczne. Ciała pod naci

skiem ulegają zmianom kształtu i zmianom objętości. Zmiany te mogą

być dokonane na drodze jednolitej kontrakcji (skurczenia) lub elongacji

(wydłużenia) we wszystkich kierunkach albo też przez zmianę kształtu

wskutek powstania nacisku ścinającego. W warunkach wytworzonych

przez nacisk w płytkich strefach skorupy ziemskiej wywiązują się na

ciski ścinające. W głębokich strefach skorupy, gdzie panują warunki

hydrostatyczne, ścinanie odgrywa małą rolę, a skały i minerały zmie

niają swe kształty i objętości przez jednolitą kompresję lub elongację.

Skały pod ciśnieniem ulegają deformacjom bądź ciągłym, bądź niecią

głym. Odnosi się to nie tylko do form tektonicznych, ale też do naj

drobniejszych ziarn mineralnych.

Blisko powierzchni tworzą się głównie deformacje nieciągłe; frag

menty mineralne pękają i przesuwają się pod wpływem nacisków ści

nających wzdłuż pewnych płaszczyzn. Przy takich deformacjach krysz

tały minerałów mogą ulec rozkruszeniu, ale ich krystaliczna struktura

nie doznaje przebudowy. Deformacje takie określa się jako kata

klastyczne.

Dalszym stopniem deformacji są deformacje plastyczne. Wtedy

wśród kryształów zachodzą przesunięcia zorientowane krystalograficz

nie (poślizgi) lub zbliźniaczenia kryształów. W tych deformacjach po

szczególne części sieci przestrzennej kryształów ulegają przesunięciom.

Wreszcie w najwyższym stadium deformacji następują przekształ

cenia blastyczne, wyrażające się przekształceniem sieci prze

strzennej kryształów, które rekrystalizując pod ciśnieniem przybierają

formy blaszkowe, tablicowe lub pręcikowe.

W miarę wzrostu głębokości deformacje drugiego i trzeciego typu

przybierają na sile. W ten sposób poniżej strefy, w której skały i mine

rały ulegają potrzaskaniu (zone oi fiacture van Hise'a), znajduje się

strefa, w której deformacje mają charakter ciągły (zone oi łlowage).

Według F. D. Adamsa granica pomiędzy tymi dwiema strefami znaj

duje się w głębokości 30 km, ale prawdopodobnie leży ona płycej.

Rekrystalizacja i rola roztworów w metamorfizmie skały. Doniosłe

znaczenie dla każdego rodzaju metamorfizmu ma obecność jakiejś cie

czy w skale przeobrażanej. Reakcje między minerałami, np. między kal-

cytem i kwarcem, są możliwe, jeśli te minerały wejdą w roztwór. Także

rekrystalizacja minerału wymaga przede wszystkim rozpuszczenia mi

nerału, co może się odbyć tylko w razie obecności rozpuszczalników.

Szereg minerałów, powstających w procesie metamorfizmu, jak miki r

chloryty, epidoty, amfibole itd., zawierają OH, co dowodzi, że tworzyły

się w obecności wody. Może to być woda zawarta w skałach jako wil

goć skalna, ale prawdopodobnie w wielu wypadkach należy przypusz-

588

czać, że jest to woda pochodzenia magmowego, która przenika skałę

i umożliwia rozpuszczanie, reakcję i rekrystalizację składników. Woda

ta zapewne jest w stanie gazowym, gdyż wszędzie, gdzie temperatura

jest wyższa od krytycznej temperatury wody (374°C), woda musi być

w stanie gazowym. Obok wody jako rozpuszczalniki działają w strefie

metamorfizmu termicznego i imbibicyjnego także B, F, Cl, CO 2 itd. Z wy

jątkiem CO 2 , który może pochodzić z dysocjacji wapieni lub dolomitów,

gazy te pochodzą z magmy.

W skale ulegającej przeobrażeniu roztwory nie mogą swobodnie cyr-

kulować, gdyż trzymane są w kapilarnych i subkapilarnych porach.

Istnienie większych porów w strefach, w których odbywa się metamor

fizm, jest najczęściej wykluczone z powodu kompresji. Dlatego to po

wstawanie nowych minerałów wskutek reakcji roztworów odbywa się

kosztem najbliższych tylko sąsiadów. Wzrost temperatury powiększa

nieco promień zasięgu (dyfuzji) roztworów. Dla zilustrowania ruchu

wody w skałach metamorficznych można podać, że blisko powierzchni

woda płynie w bardzo słabo przepuszczalnych iłach z prędkością

10 cm/rok, natomiast na dużych głębokościach, gdzie woda porusza się

dyfuzyjnie, prędkość jej szacowana jest na 10 cm/1000 lat.

Poszczególne ziarna mineralne pod wpływem roztworów ulegają

bądź korozji, bądź powiększeniu. Ponieważ ciśnienie spowodowane przez

napięcie powierzchniowe jest proporcjonalne do krzywizny powierzchni,

mniejsze ziarna są pod większym ciśnieniem niż duże; większe ciśnienie

zwiększa rozpuszczalność, dlatego małe ziarna ulegają rozpuszczeniu,

a ich substancja wykrystalizowuje na większych ziarnach. Toteż małe

ziarna zostają wyeliminowane i skała przeobrażona staje się równo-

ziarnista i bardziej grubokrystaliczna niż skała wyjściowa.

Wpływ nacisku na rozpuszczalność. Gdy skała ziarnista lub krysta

liczna zawierająca pewną ilość cieczy w porach zostanie poddana ze

wnętrznemu ciśnieniu, ciśnienie to będzie największe w tych punktach,

w których ziarna lub kryształy stykają się ze sobą. W tych też punk

tach pod wpływem ciśnienia następuje rozpuszczenie. Ciśnienie zwięk

sza rozpuszczalność. Ziarna będą zatem najłatwiej rozpuszczały się

w tych częściach, które są poddane największemu ciśnieniu (zasada Riec-

kego). Ciecz w porach, zwykle już nasycona, stanie się przesycona

i rozpocznie się krystalizacja w tych miejscach, w których ciśnienie

jest najmniejsze. W rezultacie substancja ziarna mineralnego zostaje

przenoszona z jednych części ziarna na drugie i w ten sposób nastąpi

ulżenie naprężeniom wewnętrznym w ziarnie, wywołanym przez na

cisk zewnętrzny.

W warunkach nacisku ścinającego różne części ziarna czy też krysz

tału są pod różnymi ciśnieniami i przy rozpuszczaniu oraz przenoszeniu

substancji z jednej części do drugiej będzie się stopniowo zmieniał

kształt kryształu zależnie od panującego nacisku.

Zdaje się, że szybkość reakcji chemicznych, które zachodzą przy

rozpuszczaniu minerałów pod ciśnieniem, zależy również od rodzaju

nacisku. Stwierdzono, że niektóre reakcje przebiegają szybciej w wa

runkach nacisku ścinającego aniżeli pod ciśnieniem hydrostatycznym.

Powstawanie nowych minerałów. Wskutek reakcji między minera

łami skały wyjściowej powstają nowe minerały. Mechanizm wzrostu

589

nowego kryształu w skale podlegającej metamorfizmowi jest różny od

mechanizmu wzrostu minerału w czasie krystalizacji magmy. W magmie

wzrost kryształu ograniczony jest tylko lepkością stopu i napięciem po

wierzchniowym. W skale metamorfizowanej rosnący kryształ wywalcza

sobie miejsce zależnie od kierunku nacisku i rośnie przede wszystkim

w kierunku, w którym ciśnienie jest najmniejsze. Sprzyja to powstawa

niu minerałów o kryształach blaszkowych, spłaszczonych, wydłużo

nych, tablicowatych itd. Gdy skała wyjściowa była dobrze warstwo-

wana, nowotwory rosną w kierunku najmniejszego oporu, tzn. w kie

runku warstwowania, i układają się równolegle do siebie.

W skałach metamorficznych doskonałość wykształcenia kryształów

zależy nie od porządku krystalizacji, jak w skałach magmowych, ale

od siły krystalizacyjnej. Te minerały, które mają największą

siłę krystalizacyjną, uzyskują najlepiej wykształcone postacie. Rutyl,

spinele, tytanit są pod tym względem najsilniejsze, granaty, sylimanit

i turmalin — nieco słabsze; ilmenit, andaluzyt, epidot, miki, oliwin —

znacznie słabsze, a plagioklazy, kordieryt, kwarc, a zwłaszcza ortoklaz

i mikroklin są najsłabsze. Minerały skał metamorficznych lepiej wy

kształcone określa się jako idioblastyczne natomiast gorzej roz

winięte jako ksenoblastyczne (greek, blastano — wzrastam).

Wpływ ciśnienia na przeobrażenia mineralne. Przeobrażenia mine

ralne, odbywające się przez rozpuszczanie i rekrystalizację, są modyfi

kowane wpływem ciśnienia. Od kierunku tego ciśnienia zależy ułoże

nie i rozwój przekrystalizowanych lub tworzących się minerałów. Mi

nerały, rosnąc jako blaszki lub igły, układają się zawsze w płaszczyz

nach prostopadłych do kierunków największego nacisku, dzięki czemu

powstaje bardzo wyraźnie tekstura łupkowa. Minerały występujące

w skałach metamorficznych mają proporcjonalne wydłużenie większe

niz takie same minerały występujące w skałach ogniowych. W skałach

ogniowych dłuższa średnica biotytu jest półtora razy większa od gru

bości biotytu; w skałach metamorficznych jest ona 6 razy większa. Am-

fibol skał ogniowych ma długość przeciętnie dwa i pół raza większą od

szerokości, w skałach metamorficznych 6 razy.

Minerały silne, nawet w warunkach wysokiego ciśnienia, niekoniecz

nie rosną w kierunku najmniejszego ciśnienia (tzn. w płaszczyznach

prostopadłych do kierunku największego nacisku), ale tworzą nieza

leżne od kierunku ciśnienia idioblasty.

Im wyższa jest temperatura, tym silniejsze jest przekrystalizowanie,

wskutek czego pokrój nowopowstających minerałów jest ziarnisty.

Woda rozpuszcza krzemiany znacznie lepiej w wyższych temperatu

rach. Toteż skały przeobrażone w wysokich temperaturach mają struk

tury ziarniste.

Minerały tworzące się pod ciśnieniem mają na ogół większą gęstość

niż minerały o tym samym składzie chemicznym utworzone w normal

nych warunkach. Zależność tę formułuje prawo objętościowe van't

Hoffa, według którego w układzie chemicznym o stałej temperaturze

a wzrastającym ciśnieniu reakcje chemiczne biegną w kierunku zmniej

szenia objętości cząsteczkowej (objętość cząsteczkowa jest to iloraz

z ciężaru cząsteczkowego podzielonego przez ciężar właściwy). Dlatego

w skałach metamorficznych powstałych pod dużym ciśnieniem tworzy

590

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: