Условия сохранения и изменения состава осадочных пород при метаморфизме и масштабы миграции вещества

Решение проблемы миграции вещества при метаморфизме имеет большое значение для формационных исследований осадочно-метаморфических комплексов докембрия. Применение литолого-геохимических методов их изучения дает возможность выявить закономерности выветривания и седиментации в древнейшие эпохи развития земной коры, установить эволюцию внешних условий, в которых происходили эти процессы, определить закономерности осадочной дифференциации вещества, металлогеническую специализацию осадочно-метаморфических комплексов.

Для оценки масштабов изменения первичного состава пород при метаморфизме используются следующие методы: 1) литологические исследования, направленные на выявление степени изменения первично осадочных текстур в метаморфических породах при биметасоматических реакциях; 2) корреляционный анализ, основанный на выявлении и изучении седиментационных корреляционных связей между элементами в метаморфических породах; 3) метод прямого сравнения составов метаморфических пород с их предполагаемыми осадочными аналогами; 4) сопоставление составов пород (средних составов или состава одного литологического горизонта) одной и той же пачки (слоя) из разных зон метаморфизма; 5) парагенетический анализ, позволяющий установить степень закрытости системы при метаморфизме. Следует отметить, что каждый из этих методов в отдельности может дать лишь частичное решение вопроса.

В однородных по составу толщах осадочных пород, текстурные элементы которых определяются малоактивными при метаморфизме компонентами, определить масштаб привноса или выноса каких-либо минеральных компонентов практически невозможно, вследствие близости химических потенциалов петрогенных элементов. Изменения первично осадочных текстур в метаморфических породах при биметасоматических реакциях могут быть зафиксированы только в толщах контрастного строения, сильно дифференцированных при седиментации.

Действительно, если флюид поступает в гетерогенную толщу, то, согласно принципу взаимного усиления оснований или кислот, при заданных внешними условиями концентрациях компонентов активность сильных кислот будет увеличиваться в кислой среде, что увеличивает разность химических потенциалов этих компонентов в контактирующих слоях. Это усиливает масштабы диффузии в направлении поперек слоистости и соответственно мощность зон биметасоматических изменений. Следовательно, в региональном масштабе степень трансформации первично осадочных текстур в результате биметасоматических реакций при прочих равных условиях определяется направлением движения фронта теплового потока по отношению к региональной тектонической структуре. В том случае, когда изограды метаморфизма под большим углом секут слоистость, а фильтрация флюида в направлении обратном температурному градиенту должна происходить по слоистости, создаются наиболее благоприятные условия для проявления межслоевых реакций.

Корреляционный анализ и прямое сравнение составов пород с их осадочными аналогами нередко дают хорошие результаты в определении первичной природы метаморфических пород и условий образования исходных осадков, если они сочетаются с литолого-палеогеографическими исследованиями. Ограниченность этих методов заключается в невозможности установить те изменения состава древних осадков, которые связаны с общей эволюцией процессов седиментации. При исследованиях сохранности корреляционных связей в разных зонах регионального метаморфизма было установлено, что от зеленосланцевой фации к амфиболитовой происходит изменение групп элементов как с положительными, так и с отрицательными корреляционными связями.

Метод прямого сравнения составов, кроме того, не позволяет установить наличие метаморфогенной миграции элементов, масштабы которой не выходят на диаграммах за пределы поля составов, характерного для данного литологического типа пород (поле песчаников, поле глин и т. д.) (рис. 4).

Сравнение составов пород одной и той же толщи из разных зон метаморфизма позволяет в ряде случаев решить вопрос об изохимическом характере метаморфизма в определенном районе. Однако, если рассмотреть, например, величины изменения концентраций некоторых элементов в донных осадках современных бассейнов, то можно видеть, что даже литологически близкие или однотипные осадки существенно различаются по содержанию малых, а иногда и породообразующих элементов. Например, такая неоднородность распределения элементов наблюдается в современных донных осадках Черного моря. Н.М. Страховым показано, что. линии равных концентраций образуют четко очерченные зоны в основном широтного и субширотного простирания. Зональность содержания некоторых элементов (ванадия, никеля, железа, в меньшей степени — марганца) не совпадает с литологической зональностью донных осадков. При этом содержание марганца в разных участках дна изменяется в широтном направлении по простиранию бассейна от 0,25 до 0,05%, никеля от 0,02 до 0,004%, железа от 5 до 1%, хрома и ванадия от 0,012 до 0,004%.

При изучении осадочно-метаморфических комплексов обычно остается неясной природа изменения содержания определенных элементов в однотипных и одновозрастных породах, особенно в зонально-метаморфизованных комплексах. В этом отношении показательны данные поведения малых элементов в филлитах Северо-Байкальского нагорья. Здесь содержание ряда малых элементов закономерно изменяется от зоны низкого к зоне высокого метаморфизма: ванадия в пределах 0,005—0,009%, хрома 0,003—0,007%, стронция 0,01—0,05%; содержание бария имеет два максимума в разных зонах метаморфизма; изменяется также хотя и незначительно содержание титана и калия. Зависимость содержания этих элементов в метапелитах от степени метаморфизма, как и первично осадочная природа такой неоднородности, в равной степени вероятны.

При анализе химического состава характерных литологических горизонтов зонально-метаморфизованных пород Патомского нагорья наблюдается аналогичная ситуация: в некоторых однородных литологических пачках в разных зонах метаморфизма отмечаются закономерные изменения содержания Na2O (от 1,6 до 0,49%), MgO, FeO и Fe2O3, а также Co, Ni и других элементов, однако и здесь в большинстве случаев невозможно с достаточной достоверностью связать наблюдаемые изменения состава с метаморфизмом или с седиментационными факторами. Поэтому не исключено, что в ряде случаев изменение количеств породообразующих и малых элементов, связанное с первичной химической неоднородностью осадков, трактуется как результат воздействия метаморфизма и, наоборот, неоднородность состава, возникшая в результате миграции элементов при метаморфизме, принимается за площадную неравномерность распределения элементов в исходном осадке.

Анализ минеральных парагенезисов метаморфических пород дает возможность установить характер системы, в которой происходят те или иные преобразования, и выделить из числа породообразующих элементов наборы инертных компонентов, химические потенциалы которых не являются факторами равновесия (не задаются во внешней среде), а зависят от исходного количества их в породе. Такие компоненты не испытывают существенной миграции во время метаморфической перекристаллизации, их перемещение осуществляется лишь в пределах слоя, а установившиеся до метаморфизма корреляционные связи между элементами сохраняются и после преобразований. Изучение, например, парагенезисов метапелитов в различных зонах регионального метаморфизма в районах Северного Приладожья и Байкальской горной области показывает, что метаморфизм (в данных случаях зональный) осуществляется в системах, закрытых по отношению ко всем породообразующим компонентам, включая щелочи. В связи с этим понятным становится вывод В.Я. Хильтовой, А.А. Савельева и И. К. Шyлежко об изохимичности зонального метаморфизма мамской и ладожской серий, что было показано сопоставлением средних составов пород в разных температурных зонах.

Однако таким заключениям не следует придавать универсального значения. Необходимо также иметь в виду, что, например, рассмотренный зональный метаморфизм в Северном Приладожье и Северо-Байкальском нагорье, действительно протекавший изохимически в больших объемах пород, накладывался на ранее метаморфизованные в зеленосланцевой фации или диагенетически измененные толщи, причем о характере этих преобразований мы не имеем никаких объективных данных.

При парагенетическом анализе устанавливаются наборы вполне подвижных компонентов, химические потенциалы которых являются факторами равновесия и определяют содержание этих компонентов в породе. Изучение метасоматической зональности позволяет выявить ряды подвижности компонентов при конкретных преобразованиях и объяснить многие особенности химического состава метаморфизованных пород.

Масштабы изменения первичного состава осадочных пород не связаны прямо с термическими условиями, а зависят от степени развития метасоматоза (во всех фациях), стимулирующегося интенсивной фильтрацией флюидов через толщи, и от развития процессов гранитизации или магматического замещения (в зонах амфиболитовой и гранулитовой фаций), хотя в высокотемпературных зонах, где происходит плавление гранитоидов, замещение, как правило, более интенсивное. Очевидно, что метасоматоз, связанный с метаморфизмом, наиболее интенсивно развивается в разрывных нарушениях вдоль сланцеватости, параллельной осевым плоскостям складок, или, иными словами, в зонах повышенной проницаемости для флюидов. Благоприятным является случай, когда зоны фильтрации пересекают границы разнородных сред, что обусловливает резкое изменение геохимического режима минералообразования и создает условия для отложения одних и выщелачивания других компонентов. Известно много примеров метасоматоза, сопровождающего региональный метаморфизм различных термодинамических условий. Здесь мы остановимся на рассмотрении лишь некоторых наиболее характерных примеров.

Явления кислотного выщелачивания, проявляющиеся закономерно на относительно поздних стадиях регионального метаморфизма, устанавливаются в комплексах разной глубинности и могут осуществляться в широких температурных интервалах. Они, например, проявлены в Беломорско-Лапландском поясе (кианит-силлиманитовый тип метаморфизма) и детально исследованы в районе Кукас-озера и Нот-озера в Северной Карелии.

В обособленных телах метасоматитов можно наблюдать полную зональность. Последовательность зон, минеральный состав, наборы инертных компонентов и диаграммы состав — парагенезис для каждой из этих зон показаны на рис. 5. В более сложных случаях, когда фильтрация растворов осуществляется по системе параллельных трещин или плоскостей рассланцевания, тела метасоматитов могут сливаться и образовывать полосчатый комплекс, внутри которого происходит чередование разных по составу пород, каждая из которых соответствует одной из зон рассмотренной метасоматической колонки и обладает специфическим составом. Сравнивая эти составы с составами неметаморфизованных осадков на основе, например, диаграммы А. Симонена, можно убедиться в том, что по крайней мере часть метасоматитоЕ попадает в поле глин или песчаников (см. рис. 4), часть же этих пород не находит себе аналогов среди осадочных образований.

Особо следует обратить внимание на центральную (I) и краевую (V) зоны (см. рис. 5). Первая из них близка по составу к сланцам, образованным по сильно дифференцированным осадкам, возникающим при переотложении кор химического выветривания, и часто за них принимается. Краевая зона, в которой происходит отложение перемещенных инертных компонентов, представлена весьма экзотическими по составу многоминеральными породами повышенной магнезиальности, отличающимися высоким отношением алюминия к кальцию. В принципе возможно представить себе первичные осадки со сходным составом, но присутствие этих пород среди высокоглиноземистых образований должно настораживать исследователя, занимающегося палеолитологическими реконструкциями, и заставлять его провести анализ парагенезов с целью выявления метасоматической зональности.

Процессы кислотного выщелачивания и сопряженного с ними магнезиального метасоматоза могут проявляться в значительных масштабах. Так, в разобранном случае для территории Северной Карелии они охватывают площадь около 4 км2. Причем это только один из многих участков в Беломорско-Лапландском поясе, для которого рассматриваемые явления весьма характерны. В Свекофенском поясе (андалузит-силлиманитовый тип метаморфизма) сходные преобразования развиты не менее широко, а возникшие при этом метасоматиты отличаются от только что рассмотренных лишь характером минеральных парагенезисов, отвечающим иному ряду подвижности компонентов, что определяется различием термодинамического режима метаморфизма в сравниваемых поясах. Один из вариантов метасоматической колонки кислотного выщелачивания в Свекофенском метаморфическом поясе приведен в табл. 9 (от зоны I в центре к зоне V с краю).

В этом случае компоненты переходят в подвижное состояние в последовательности, несколько отличной от той, которая вытекает из рассмотрения рис. 5. Обратим внимание на появление в условиях малой подвижности MgO специфических парагенезисов кордиерита с гранатом и жедритом, неустойчивых при больших давлениях и замещающихся либо ассоциацией, соответствующей V зоне колонки на рис. 5, либо парагенезисом кианита, граната, жедрита и кварца, развитым, например, в метасоматитах района ст. Шуерецкой (побережье Белого моря).

В относительно низкотемпературных зонах и при высоких химических потенциалах калия возникают характерные кварц-мусковитовые сланцы (кварц-мусковитовая фация кислотного выщелачивания — Кориковский), которые часто развиваются в зонах рассланцевания гранитоидов. В том случае, когда эти зоны возникают на границе супракрустальных толщ и гранитов, они становятся сходными с метаморфизованными корами химического выветривания как по своей геологической позиции, так и по составу. Только при тщательном литологическом и петрологическом исследованиях можно отличить эти образования друг от друга.

Л.А. Прияткиной в Лапландской зоне глубинных разломов, ширина которой в районе Сальных тундр (Кольский полуостров) достигает 10—15 км, изучалось формирование полосчатого комплекса пород, для которого характерно чередование клинопироксен-гранатовых (эклогитовых), клинопироксен-гранат-плагиоклазовых, двупироксен-гранат-плагиоклазовых и почти чисто плагиоклазовых «слоев». Каждый из этих слоев, как можно полагать, представляет собой одну из зон метасоматоза, протекающего в условиях повышенной активности натрия. Заключение об изменении состава пород при метаморфизме базируется на широком развитии реакционных соотношений между гиперстеном и натровым клинопироксеном на ранних стадиях, пироксенами и амфиболом, а затем биотитом на поздних стадиях и других сопутствующих реакций. Обращает внимание на себя тот факт, что при эклогитизации происходит увеличение отношения Na2O : K2O (это согласуется с заключениями А.А. Маракушева и Ю.К. Полина). При дальнейшей гранитизации этого комплекса наблюдаются обратные тенденции в изменении этого отношения. Основные характеристики состава рассматриваемых метасоматитов в сравнении с исходными гиперстен-плагиоклазовыми сланцами и тенденции в изменении химизма пород при данном процессе отражены на диаграмме, приведенной на рис. 6.

Таким образом, в зонах повышенной проницаемости, по которым происходит фильтрация флюидов, можно наблюдать изменения состава метаморфизующихся пород и дифференциацию вещества путем диффузии компонентов в направлении, перпендикулярном потоку растворов. Масштабы диффузионного массообмена незначительны по сравнению с привносом — выносом компонентов в зонах фильтрации. В пределах последних, при достаточной интенсивности этих процессов, возникают вторичные полосчатые текстуры (ложная слоистость), морфология которых и способы отличия от настоящей слоистости рассмотрены ранее.

Процессы регионального метаморфизма приводят к общему изменению состава первично осадочных комплексов пород, а также к дифференциации вещества внутри их. Ho эти преобразования осуществляются не фронтально, а избирательно, приурочиваясь к определенным структурам, причем существует возможность оценить масштабы миграции вещества. Условием успешного решения конкретных задач является комплексное применение как литологических, так и петрологических методов исследования. И все же в ряде случаев применение всей совокупности перечисленных методов не дает ответа на вопрос о наличии или отсутствии процессов перераспределения вещества.