Кристаллохимические особенности слоистых силикатов как индикаторы перехода осадочных пород в метаморфические

Изучение процессов преобразования осадочных пород, получившее в течение последних лет широкое распространение сначала в России, а позднее и за рубежом, является важным для познания процессов метаморфизма и, в частности, «снятия» метаморфизма, а также для выявления дометаморфических аналогов метаморфических образований.

Особенности переработки различных петрографических типов терригенных пород на разных уровнях регионального эпигенеза нашли свое выражение в выделении фаций регионального эпигенеза, которые позволили как бы сомкнуть главнейшие химико-петрографические семейства терригенных пород с родственными фациями регионального метаморфизма. Было установлено, что процесс регионального эпигенеза приводит к постепенному стиранию специфики первичного петрографического состава полимиктовых пород, и на уровне верхней зоны фации зеленых сланцев появляется единая хлорит-мусковит-кварц-альбитовая ассоциация. Только в тех породах, в которых присутствовал свежий алюмосиликатный материал (Ca—Na — плагиоклазы, вулканическое стекло, вулканогенные граувакки и аркозы гранодиоритового состава), способна появиться цеолитовая фация, сменяющаяся на уровне метагенеза пренит-пумпелиитовой и далее типичной эпидот-альбит-мусковит-хлоритовой ассоциацией.

Последние годы в лаборатории осадочной минералогии ГИН’а специальное внимание было уделено грауваккам — очень широко развитым породам миогеосинклинальных и эвгеосинклинальных областей, представляющих, как известно, большой интерес как возможно изначальные породы параамфиболитов. Разработана не только петрографическая, но и петрохимическая классификация граувакк, прослежена специфика их изменения в аридной и гумидной климатических зонах и исследование этих изменений вплоть до фации зеленых сланцев. Как этого и следовало ожидать, граувакки в общем «уложились» в особенности эпигенетического преобразования, свойственные полимиктовым породам в целом. Однако изучение граувакк выявило одну интересную особенность. В единой кварц-мусковит-хлорит-альбитовой фации, свойственной полимиктовым песчаным породам, обособились определенные типы. Если кислые аркозы и литокластические граувакки дают ассоциацию с ярким преобладанием мусковитовой слюды и кварца, то в граувакках, начиная от кислых фельзит-альбитофировых и кончая диабаз-спилитовыми, над кварцем преобладает альбит. Дело в том, что в валовом химическом составе изученных осадочных граувакк отношение Na2O/K2O примерно в 2—3 раза больше в граувакках гумидного климата и примерно в 4—5 раз больше в граувакках аридного климата. На верхнем уровне фации зеленых сланцев очень интенсивно развивается альбитизация, сообщающая определенную специфику продуктам эпигенетического изменения собственно осадочных граувакк.

По-видимому, эти данные существенно ограничивают представления о необходимости привлечения Na-метасоматоза для объяснения формирования метаморфических пород. Любопытно еще добавить, что в аридных терригенно-карбонатно-сульфатных формациях бурно развивается анальцим, заимствующий натрий (при наличии легко разлагающегося алюмосиликатного материала) из седиментациовных растворов бассейнов осадконакопления. В глубинном эпигенезе анальцим легко превращается в новообразованный альбит, увеличивая долю альбитизации, возникающей за счет раскристаллизации обломков стекловатого базиса безанальцимовых граувакк гумидного климата. Несколько увеличивается в граувакках аридного климата роль магния и железа. Однако эти изменения наиболее выразительно выявляются не в общем валовом химическом составе граувакк, а в кристаллохимических особенностях новообразованных глинистых минералов: гидрослюд и особенно хлоритов. Эта специфика ранних этапов формирования минералов, по-видимому, способна наследоваться довольно длительно на разных стадиях преобразования пород вплоть до метаморфизма.

Как известно, глинистые минералы в исследованиях по региональному эпигенезу широко использовались как индикаторы, чутко реагирующие на изменение температур и давлений по мере погружения осадочных пород в более глубокие зоны. Эти данные, полученные как на природных объектах, так и экспериментальным путем, широко известны в литературе. Однако характер преобразования слоистых силикатов прослежен в основном только до низшей ступени регионального метаморфизма — верхних горизонтов фации зеленых сланцев.

В данной работе мы остановимся на кристаллохимических особенностях двух типов слоистых силикатов: диоктаэдрических слюд и хлоритов. Оба минерала образуются в геологических обстановках с широким диапазоном значений температур и давлений, начиная от диагенеза и кончая региональным метаморфизмом.

Попытаемся рассмотреть диоктаэдрические слюды и хлориты в двух аспектах: а) выяснение общих закономерностей кристаллохимической эволюции структуры минералов в процессе повышения температур и давлений в эпигенезе и региональном метаморфизме, вплоть до пределов возможного существования минерала; б) выяснение возможностей использования данных минералов как определенных индикаторов седиментогенных и магматогенных пород. Разумеется, последняя возможность может быть реализована только как еще один дополнительный признак в общем комплексе литолого-петрографических исследований, предусмотренных при реконструкции первичного происхождения метаморфических пород.

Диоктаэдрические гидрослюды являются одними из самых распространенных минералов осадочных пород. Среди осадочных аутигенных слюд в породах, не измененных глубинным эпигенезом, существует три группы: А1-гидрослюды, или иллиты, глаукониты и промежуточная группа Fe-иллитов, связанная с терригенно-эвапоритовыми формациями.

Общими особенностями гидрослюд, образующихся в диагенезе, являются: низкий тетраэдрический заряд (от 0,2—0,6), т. е. высокое содержание Si в тетраэдрах; политипные структуры 1Md, отличающиеся слабой упорядоченностью; присутствие разбухающих слоев в структуре; высокое содержание двухвалентных катионов. Все эти особенности являются унаследованными от первичной фазы монтмориллонита, которую, по-видимому, проходят все гидрослюды при своем формировании в диагенезе и раннем эпигенезе. При переходе к зоне глубинного эпигенеза наблюдается постепенное увеличение тетраэдрического заряда (0,55—0,9), появление упорядоченных структур 1M и далее 2М1, исчезновение разбухающих промежутков. В метаморфических породах мусковиты всегда относятся только к политипу 2М1, отличаются высоким зарядом (не менее 0,8) и существенной «очисткой» октаэдров от окисного железа и двухвалентных катионов. Интересный материал, позволяющий проследить историю мусковита в метаморфических породах, получен группой итальянских исследователей. Их выводы базируются на статистической обработке около 400 анализов мусковитовых слюд, связанных с различными фациями метаморфизма, начиная от субфаций кварц-альбит-эпидот-мусковитовой и кончая силлиманит-альмандиновой (всего выделяется семь групп, охватывающих низкие, средние и высокие ступени метаморфизма, вплоть до ортоклазовой изограды).

Полученные результаты позволяют проследить кристаллохимическую эволюцию мусковита, являющегося, как известно, «проходным» минералом, свойственным всем стадиям регионального метаморфизма. Самым важным является то, что изменения, начавшиеся еще в собственно осадочном процессе, продолжаются на всех стадиях метаморфизма. Сущность этих изменений заключается в том, что по мере возрастания температур уменьшается содержание Si и Fe, увеличивается тетраэдрический заряд, уменьшается количество двухвалентных катионов. В силлиманит-альмандиновой фации перед своим исчезновением и появлением ортоклаза мусковит приближается к идеальной формуле. Мусковиты гранитов и пегматитов существенно отличаются от мусковитов метаморфических пород и имеют собственные поля распространения. Авторы предлагают использовать определенные пределы степени «чистоты» мусковитов для картирования фаций регионального метаморфизма.

Таким образом, группа диоктаэдрических слюдистых минералов, так широко развитая начиная от осадочных и кончая глубоко метаморфизованными породами, является тончайшим кристаллохимическим индикатором, сохраняющим четкую направленность изменений своей структуры на всех этапах эпигенеза и метаморфизма.

Весьма интересно, что тенденция приобретения Al-четвертной координации (т. е. увеличения тетраэдрического заряда), хорошо известная для минералов высокотемпературного метаморфизма, начинается на самых ранних этапах эпигенеза не только в перестройке характера гиддослюд (иллитов), но еще при гидрослюдизации монтмориллонита в зоне начального эпигенеза.

Хлориты. Это обширное и кристаллохимически очень разнообразное семейство минералов развито в породах самого различного генезиса. Хлориты постоянно присутствуют в осадочных породах, испытавших эпигенетические преобразования, очень широко развиты в породах фации зеленых сланцев, возникших как за счет первично осадочных, так и первично магматических образований, являются постоянными компонентами продуктов изменения основных и ультраосновных пород, повсеместно связаны с различными типами железных руд, широкое распространение имеют среди различных гидротермальных образований.

Этой сложной группой минералов занимались многие исследователи, предложившие несколько классификаций, в которых были сделаны попытки выявления коррелятивных зависимостей между составом хлоритов и условиями их образования. Во всех классификационных схемах были выделены три основных группы: магнезиальные хлориты, железисто-магнезиальные и железистые. Хотя эти группы были выделены совершенно правильно, в их генетической интерпретации оставалось много неясного.

Более подробное изучение хлоритов, связанных с породами, принадлежащими к определенным генетическим типам, показало, что кристаллохимические особенности этих минералов содержат еще много индикаторных возможностей, отражающих условия их возникновения.

Всеми исследователями считалось, что для осадочных пород типичны только железистые хлориты, богатые трехвалентным железом. Mg-хлориты связывались обычно с продуктами разрушения ультрабазитов и серпентинитов. Известно также, что высокая магнезиальность является типичной особенностью хлоритов наиболее высокотемпературных субфаций фации зеленых сланцев. Оказалось, что эти данные не совсем точны. Удалось установить, что чисто магнезиальные аутигенные хлориты являются очень типичными минералами совершенно неизмененных эпигенезом осадочных пород терригенно-эвапоритовых формаций. Они распространены в широком диапазоне хемогенных и хемогенно-терригенных пород, начиная от гипсов и кончая солями. Mg-хлориты эвапоритовых формаций встречаются всегда в тесном парагенезе с высокожелезистыми гидрослюдами.

Кристаллохимкческая характеристика магнезиальных хлоритов эвапоритов существенно отлична от минералов этой же группы, формирующихся по ультрабазитам. Основное отличие — это суммарное содержание Al (локализующегося как в октаэдрах, так и в тетраэдрах), всегда превышающее 2,2 и позволяющее весьма четко разграничивать эти два генетически отличные типа чисто магнезиальных хлоритов.

Группа железисто-магнезиальных хлоритов чрезвычайно широко распространена среди различных осадочных и осадочно-метаморфических пород. Достаточно широко эти минералы встречаются так же как продукты зеленокаменного изменения диабазов, спилитов, андезитов и базальтов. Однако железисто-магнезиальные хлориты, связанные с осадочными и осадочно-метаморфическими породами, отличаются также гораздо более высоким содержанием Al по сравнению с хлоритами этой же группы, образующимися по магматическим породам.

По-видимому, высокое содержание Al в хлоритах может служить определенным индикаторным признаком их происхождения из первично осадочных пород. В этом случае высокое содержание Al обеспечивается глинистыми минералами, за счет преобразования которых образуются хлориты. Процессы эти носят, скорее всего, стадийный характер, однако не исключено и синтетическое происхождение части хлоритов. Преобразования каолинита в хлорит при эпигенезе описаны Фухтбауэром, монтмориллонита — в хлорит — Коссовской. С большой легкостью переход глинистых минералов в хлорит был осуществлен при различных экспериментальных исследованиях.

В магматических породах «сырьем» для образования хлоритов служат, прежде всего, фемические компоненты и стекловатый базис, в которых содержание Al, естественно, существенно меньше, чем в глинистых минералах. Вторым индикаторным признаком первично осадочной природы метаморфических пород может явиться обязательный парагенез хлоритов с диоктаэдрическими слюдами, присутствующими в сопоставимых количествах.

Сочетание высокомагнезиальных безжелезистых хлоритов с железистыми мусковитами является не только указателем первично осадочного генезиса пород, но может свидетельствовать об аридном климате, в котором проходило накопление осадков. В этом отношении парагенез магнезиальный хлорит+железистый мусковит является таким же индикатором контрастных обстановок аридного климата, каким является парагенез кварц+диккит —> пирофиллит —> кианит для гумидного.

Таким образом, если рассмотрение динамики кристаллохимических преобразований диоктаэдрических слюд позволило, как в определенном фокусе, очень детально проследить все нюансы эволюции от монтмориллонита через гидрослюды к мусковитам метаморфических пород и далее к гранитоидам, то хлориты показали, что ими можно пользоваться, как индикаторами седиментогенных и магматогенных пород и даже климатических обстановок формирования первично осадочных пород.

Однако этим не исчерпывается информация, которую можно получить из анализа кристаллохимических свойств хлоритов. Хлориты, так же как слюды, несут следы последовательных преобразований на различных этапах эпигенеза и метаморфизма. Эти трансформации запечатлеваются как в изоморфных, так и в полиморфных изменениях.

Одним из характерных процессов, начинающихся в эпигенезе и развивающихся в метаморфизме, является переход окисных форм железа в минералах в закисные. Эта закономерность очень наглядно проявляется на примере магнезиально-железистых хлоритов — самой распространенной группы этого семейства минералов. Хлориты зоны диагенеза — начального эпигенеза содержат такие высокие количества трехвалентного железа в октаэдрах, что, вероятно, принадлежат к типу ди-триоктаэдрических хлоритов, в которых триоктаэдрическими являются бруситовые слои. По мере перехода к породам глубинного эпигенеза и далее к фации зеленых сланцев очень отчетливо уменьшается содержание в октаэдрах Fe3+ и возрастает Fe2+. Столь же отчетливо наблюдается постепенное возрастание содержания Mg в структуре хлоритов. Этот процесс начинается еще в собственно осадочных породах при процессах глубинного эпигенеза и метагенеза. Он последовательно возрастает при метаморфизме до нижних горизонтов фации зеленых сланцев вплоть до появления граната в эпидот-альбит-альмандиновой фации, где железисто-магнезиальный хлорит разрушается, а появляется альмандин и Mg-хлорит: Fe-Mg-хлopит+кварц —> альмандин + Mg-хлорит.

Полиморфные изменения хлоритов при эпигенезе и метаморфизме были впервые детально рассмотрены Б. Брауном и С. Бейли и позднее Г.В. Карповой. В неизмененных осадочных породах хлориты относятся к политипу Ib, в=97°; в условиях повышающихся температур и давлений последовательно появляются политипы: Ib, в=90о, 116, в=97°. В метаморфических породах присутствует хлорит только политипа IIb, в=97°, отличающийся наибольшей стабильностью.

Приведенные материалы для двух семейств слоистых силикатов — диоктаэдрических слюд и хлоритов, конечно, далеко не исчерпывают всех возможностей, которые содержит исследование кристаллохимии отдельных минералов с целью их использования как индикаторов типов и стадий метаморфизма.

Весьма перспективным, как это показал И.М. Симанович, является изучение кварца. Этому автору удалось проследить особенности изменений структурных дислокаций в кварце, начиная от ранних этапов эпигенеза вплоть до амфиболовой фации метаморфизма. Очень интересные данные были получены группой авторов, изучавших кристаллохимические особенности графита при разных типах и на разных уровнях метаморфизма. Ими было установлено, что графит в породах низших стадий метаморфизма характеризуется трехмерной неупорядоченной структурой. По мере нарастания метаморфизма наблюдается постепенное упорядочивание структуры вплоть до появления полностью упорядоченного графита в породах амфиболитовой и гранулитовой фаций. Графит в породах, подвергшихся контактовому метаморфизму, характеризуется лишь двухмерной упорядоченной структурой.

Возвращаясь к изложенным выше материалам, необходимо подчеркнуть следующее. Динамика кристаллохимической трансформации и сущность происходящих преобразований подробно прослежены только для слоистых силикатов, начиная от осадочных пород вплоть до низших ступеней регионального метаморфизма, охватывающих фацию зеленых сланцев. Последующие преобразования, начинающиеся с амфиболитовой фации, фиксируются в основном только самим фактом появления новых минералов. Постепенная смена слоистых структур ленточными, свойственными амфиболам, и далее цепочечными, свойственными пироксенам, кристаллохимически пока не исследована. Это, несомненно, очень перспективное направление, которое ожидает постановки специальных исследований. Большая перспективность этого направления подтверждается полученными недавно экспериментальными результатами, показавшими возможность синтеза нового структурного типа силикатов, представляющего как бы промежуточное звено между слоистыми и цепочечными силикатами. Если пироксены образованы отдельными цепочками Si-тетраэдров, а амфиболы — лентами из двух пироксеновых цепочек, то основу этой структуры составляют ленты, состоящие из трех цепочек, соединенных между собой атомами кислорода.

Специфика хлоритов в первично осадочных и первично магматических породах дает основание предположить, что кристаллохимия минералов в ряду: хлорит —> амфибол —> пироксен при прогрессивном метаморфизме будет отличаться от обратного репрессивного ряда видоизменения основных магматических пород.

Детальное изучение кристаллохимии определенных рядов минералов, специально проведенное на геологически ясных объектах — сериях последовательного перехода осадочных и магматических пород в метаморфические, может оказаться в комплексе с геологическими и геохимическими признаками важным критерием для снятия метаморфизма и диагностики седиментогенных и магматогенных пород.