Метаморфические процессы минералообразования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Российский химико-технологический университет

им. Д. И. Менделеева»

Факультет технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов

Кафедра химии и технологии кристаллов

РЕФЕРАТ

ПО КУРСУ МИНЕРАЛОГИИ

на тему:

Метаморфические процессы минералообразования

Выполнила:

студентка группы Н-35

Баранова Анна Сергеевна

Проверил:

Ахметшин Эдуард Анварович

Москва 2019

Содержание

Введение

Общие свойства минералов

1. Химическая характеристика и формулы минералов

2. Физические свойства минералов

Общие сведения о геологических процессах минералообразования

1. Экзогенные

2. Эндогенные

Метаморфические процессы

1. Основы химической кинетики метаморфических процессов

2. Процессы метаморфизма

3. Парагенетический анализ метаморфических пород

4. Метаморфические фации

5. Динамометаморфизм

6. Импактный метаморфизм

Заключение

Используемая литература

Практическая часть

1. Диагностика минералов

2. Описание выданного образца минерала

3. Выводы

минералообразование химический кинетика метаморфический

ВВЕДЕНИЕ

Познание минерального мира кристаллических тел, происходили в основном в связи с практическими потребностями человечества. И как бы прозаично это не звучало, минералы использовались в подавляющем большинстве случаев лишь с целью извлечения из них ценных компонентов - благородных, цветных, черных и редких металлов и неметаллов, рассеянных элементов, различных химических соединений.

Минералогия принадлежит к числу геологических наук, изучающих земную кору. Название этой науки в буквальном смысле означает учение о минералах, которое обнимает все вопросы о минералах, включая и их происхождение. Термин минерал происходит от немецкого Mineral или французского minйral, от позднелатинского (аеs) minerale -- руда, т.е. рудный штуф, кусок руды. Это указывает, что его появление связано с развитием горного промысла.

Минералогия - наука о минералах, которая изучает кристаллическую структуру, химический состав, свойства, морфологию агрегатов, процессы образования и изменения минералов, закономерности их совместного нахождения в природе, а также условия и методы искусственного получения (синтеза) и практического использования. Объектом изучения минералогии является минерал. Минералами называют физически и химически однородные кристаллические тела, образовавшиеся в результате определенных природных физико-химических процессов.

Петрология (от греч. рЭфспт -- камень, рус. устар. камневедение) -- комплекс геологических наук о горных породах, процессах их формирования и преобразования. Она включает в себя следующие науки: петрографию, петрофизику, петрохимию, петротектонику, а также экспериментальную петрургию, теоретическую, техническую и космическую петрологию. Петрография (греч. рЭфспт «камень» + гсЬцщ «пишу») -- описательная часть петрологии, она рассматривает структурные, минералогические и химические особенности.

Как самостоятельная наука петрография возникла в середине XIX века после изобретения поляризационного микроскопа английским физиком Г. Толботом и исследования с помощью него горных пород Г. Сорби. На протяжении последующих ста лет наблюдения под микроскопом по факту оставались единственным методом петрографии. Возможности этого метода были значительно расширены Е.С.Федоровым, который в 1891 году сконструировал универсальный столик, открывающий возможности более точного определения оптических свойств минералов. Этап микроскопической петрографии был очень плодотворным, в это время были описаны сотни видов разнообразных видов горных пород и разработаны основы их систематики. Микроскопические исследования продолжают оставаться одним из главных петрографических методов и сейчас.

Большой объём информации о химическом составе кристаллических фаз горных пород, достоверные данные о температуре и давлении при их формировании позволили в полной мере использовать физико-химическую теорию для решения петрологических задач. В настоящее время петрографические и петрологические исследования в том или ином объёме выполняются на всех стадиях геологоразведочных работ и включают следующую последовательность операций: полевые наблюдения, изучение полученных образцов под микроскопом, анализ их химического состава, сбор полученной и вывод новой информации об условиях формирования пород.

Каждая из этих стадий исследования требует профессиональных навыков и умений, а помимо этого ещё и специальной аппаратуры (для двух последних стадий). Следует отметить, что никакие самые продвинутые аналитические приёмы не могут заменить полевых наблюдений и изучения горных пород под микроскопом. Однако, пренебрежение точными лабораторными методами не позволяет судить о составе, строении и происхождении горных пород с той степенью конкретности и определённости, которая доступна современной науке.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА МИНЕРАЛОВ

Минералы весьма разнообразны по внешним признакам, которые в первую очередь позволяют с достаточной точностью диагностировать их (. Не малую роль в определении играют физические свойства минералов, такие как твёрдость.

Столь же различны и химические свойства минералов: растворимость в воде или в кислотах, окисление или разложение под действием кислорода, углекислоты и влаги, содержащихся в воздухе. Давно установлено также, что некоторые минералы под воздействием света постепенно меняют свою окраску.

Все эти свойства минералов находятся в причинной зависимости от особенностей химического состава минералов, от кристаллической структуры вещества и от строения атомов или ионов, входящих в состав соединений.

1. Химическая характеристика и формулы минералов

Подавляющее большинство встречающихся в природе минералов представлено химическими соединениями. Различают:

· определенные соединения, как простые, так и двойные

· соединения переменного состава.

Все определенные химические соединения, как известно, строго подчиняются закону постоянства состава. Эти законы находятся в полном соответствии с периодической системой элементов Д. И. Менделеева, законами кристаллохимии и учением о симметрии в кристаллических средах. Например:

· окислы (Cu₂O, MgO, Fe₂O₃, SiO₂ и др.),

· различные кислородные соли (CaCO₃, CaSO₄, AlBO₃, Mg₂SiO₄ и др.),

· сульфиды (NiS, FeS₂, Sb₂S₃ и др.),

· галогенные соединения (NaCl, AgBr, CaF₂ и др.) и т. д.

Помимо простых химических соединений, в природе распространены двойные соединения, особенно двойные соли. Двойными солями называются такие определенные соединения, которые состоят как бы из двух простых солей, присутствующих в кратных отношениях. В большинстве случаев эти соли являются двойными по катионам, реже - по анионам или одновременно по катионам и анионам. Например, CaMg[CO₃]₂, K₃Na[SO₄]₂ и т. д.

Кроме определенных химических соединений, существует не мало таких соединений, состав которых не является постоянным, а колеблется то в узких, то в более широких пределах, причем эти колебания состава не могут быть объяснены какими-либо механическими примесями посторонних веществ. Наоборот, колеблющийся состав соединений с кристаллохимической точки зрения находит объяснение в ограниченной растворимости составных компонентов в данном соединении.

2. Физические свойства минералов

Минералы как физические тела обладают широким разнообразием таких свойств, как цвет, твёрдость, блеск, удельный вес и др. В зависимости от химического состава и кристаллической структуры эти свойства у различных минералов проявляются по-разному. Каждый минерал характеризуется какими-либо особыми признаками, по которым его можно всегда отличить от других. Главнейшие свойства минералов:

· Морфологические особенности минералов. К общим особенностям морфологии кристаллов и их граней, также имеющих некоторое практическое значение при определении минералов относятся: габитус (облик кристалла), есть ли двойникование (правильное срастание одиночных кристаллов), штриховатость (ориентированные штрихи на гранях кристалла). Штриховатость может быть обусловлена многократным повторением узких вицинальных граней (комбинационная) или же "сложением" кристаллов (двойниковая).

· Спайность - способность кристаллов при раскалывании образовывать плоские кристаллографически ориентированные поверхности.

· Излом - характер неровной поверхности при разломе. Различают неровный, раковистый, занозистый и другие изломы.

· Цвет минералов - пожалуй, самый важный диагностический признак, на который невольно обращаешь внимание в первую очередь. Многие названия минералов именно поэтому даны в соответствии с его цветом. Существует три вида окрасок, различающиеся по образованию: идиохроматическая (собственная окраска минерала, обусловленная свойством его свойством), аллохроматическая (из-за окрашенных мелкорассеянных примесей) и псевдохроматическая (ложная окраска, обусловленная интерференцией света).

· Цвет черты - цвет минерала в тонком порошке. Получить его легко можно с помощью бисквита (неглазурованной поверхности фарфоровой пластинки). Цвет черты является более надёжным признаком, чем цвет минерала, так как является гораздо более постоянным.

· Блеск - явление отражения части падающего на грань минерала света. Интенсивность блеска тем заметнее, чем больше разница между показателями преломления минерала и среды. Блеск не зависит от цвета минералов, хотя на чёрных он кажется более выраженным. Существует следующая градация блеска (в ряду интенсивность возрастает): слабостеклянный, стеклянный, алмазный, полуметаллический, металлический.

· Прозрачность - свойство веществ и тел пропускать через себя видимый свет. Непрозрачными считаются металлы, хотя по абсолютно непрозрачных тел не существует.

· Твёрдость - способность минерала сопротивляться внедрению инородных тел. Определяется вдавливанием, волочением или царапанием исследуемого минерала о другой с известной относительной твёрдостью. Для этого применяется относительная шкала твёрдости Мооса, составленная из десяти эталонов (в ряду твёрдость возрастает):

1. Тальк - Mg3[Si4O10][OH]2

2. Гипс - CaSO4*2H2O

3. Кальцит - CaCO3

4. Флюорит - CaF2

5. Апатит - Ca5[PO4]3F

6. Ортоклаз - K[AlSi8O8]

7. Кварц - SiO2

8. Топаз - Al2[SiO4](F,OH)2

9. Корунд - Al2O3

10. Алмаз - С

Определение твердости исследуемого минерала производится путем установления, какой из эталонных минералов он царапает последним.

· Хрупкость, упругость, ковкость. Хрупкий минерал крошится под внешним давлением. Ковкий примет новую форму. Упругий вернёт начальную форму после снятия давления.

· Удельный вес и плотность. Минералы делятся на лёгкие (до 2,7 г/смі), средние (от 2,7 до 4 г/смі), тяжёлые (от 4 до 7 г/смі) и очень тяжёлые (более 6,7 г/смі). Определяется приблизительно в руке при покачивании и сравнении разных по весу, но близких по объёму образцов минералов.

· Магнитность. Различают магнитные (ферромагнитные) минералы, которые сами представляют собой магнит, парамагнитные - легко притягиваются магнитом и диамагнитные, которые не проявляют магнитных свойств, а иногда отталкиваются магнитом (например, самородный висмут).

· Радиоактивность. Для некоторых минералов, содержащих в своём составе радиоактивные тяжёлые элементы характерно явление радиоактивности. Его определяют по производимой ими ионизации воздуха с помощью электроскопов, ионизационных камер и различных систем счетчиков. Урансодержащие минералы, способные излучать химически активные лучи, оказывают также сильное воздействие на фотографическую пластинку (получается радиография - по аналогии с фотографией). Если же держать радиоактивный минерал в руке, то будет чувствоваться тепло внутри ладони. Это скажет о том, что не стоит долго держать такой минерал.

· Люминесценция - явление свечения минералов. Различают флюоресценцию (под действием ультрафиолета), термолюминесценцию (при температуре), триболюминесценцию (при трении) и другие.

· Прочие свойства минералов. К ним относится вкус, запах, звук, теплопроводность, электропроводность, пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства, детекторные свойства, плавкость, окрашивание пламени, растворимость, определяемые на ощупь (органолиптически) химическое взаимодействие с HCl и многие другие...

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ

"Минерал следует изучать на всех стадиях его существования, а не только тогда, когда он приобретает устойчивую структуру, становится "камнем". Надо постигать роль минерала в общей жизни Земли и его зависимость от внешней среды. Чем точнее такое знание, тем легче искать минералы, месторождения полезных ископаемых..."

Владимир Иванович Вернадский

(1863-1945)

Минералы на различных этапах своего зарождения, образования и преобразования находятся в тесной ассоциации друг с другом, причем эти "союзы" не случайны, а обусловлены генезисом (объединяющими их процессами формирования). Парагенезис - совместное нахождение в природе генетически связанных между собой минералов.

Природная ассоциация минералов называется горной породой и представляет собой самостоятельное тело в Земной коре. Горные породы в отличие от минералов, чаще всего неоднородны, то есть состоят из нескольких минералов, отвечающим определённым физико-химическим условиям совместного образования.

Генезис минералов определяется геологическими процессами, формирующими земную кору. По источнику энергии природные процессы минералообразования делятся на эндогенные и экзогенные.



1. Экзогенные процессы -

(извне рожденные) - процессы минералообразования, возникающие при процессах, совершающихся за счет внешней солнечной энергии, получаемой поверхностью земного шара (процессы, развивающиеся в результате взаимодействия горных пород и минералов земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой). Источником вещества являются обнажившиеся и разрушающиеся на поверхности Земли разнообразные породы и руды различного происхождения. Процессы минералообразования развиваются в самой поверхностной части земной коры при низких температурах и давлениях, близких к атмосферному.

Существенную роль в экзогенных процессах играет гравитация (сила тяжести), электромагнитное поле Земли, потоки солнечной энергии и вещества из космоса, деятельность живых организмов и человека в частности. При этом происходит поверхностное разрушение и преобразование минералов, созданных эндогенными процессами в верхних горизонтах земной коры и на ее поверхности как без участия высоких температур и больших давлений, так и с участием - при падении метеоритов, астероидов. Ранее созданные минералы подвергаются химической, механической, биохимической и антропогенной переработке, что приводит к образованию новых минералов, в соответствии с возникающими физико-химическими условиями в отдельных толщах земной коры на ее поверхности. Таким образом, эндогенные процессы обуславливают начало "жизни" химических элементов и образуемых ими минералов в земной коре. Второй этап жизни минералов связан с экзогенными процессами. Метаморфические процессы минералообразования происходят тогда, когда ранее образовавшиеся магматические и осадочные породы подвергаются воздействию относительно высоких температур и давлений, преобразовывающих породы и слагающие их минералы.



2. Эндогенные процессы -

(изнутри рожденные) - процессы минералообразования, образующиеся при процессах, протекающих за счет внутренней тепловой энергии земного шара. Минералы, возникающие в результате этих процессов, являются продуктами магматической деятельности (в широком смысле слова) Горные породы и месторождения полезных ископаемых образуются в результате кристаллизации самой магмы и различных отщеплений от нее. Процессы минералообразования протекают на различных глубинах и при различных, но обычно высоких температурах.

К эндогенным процессам минералообразования, протекающим в недрах Земли, среди всех прочих относятся магматический, пегматитовый, скарновый, гидротермальный.

МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Процессы метаморфизма относятся к ведущим эндогенным факторам дифференциации литосферы во всем ее объеме и на всем протяжении геологической истории. С ними генетически связаны разнообразные металлические и неметаллические полезные ископаемые. Поэтому важность понимания процесса метаморфизма трудно переоценить в учебном комплексе дисциплин минералогического профиля.

Метаморфические породы возникают в результате глубокого преобразования осадочных, магматических или ранее существовавших метаморфических пород, которые называются исходными или первичными. Процессы метаморфизма происходят на глубинах, расположенных ниже зоны формирования осадочных пород.

Метаморфизм представляет собой процесс минералогического, структурно-текстурного, а иногда и химического приспособления исходных пород к новым термодинамическим и химическим условиям, происходящий при повышенных температурах и давлениях. Таким образом, при метаморфизме в различных сочетаниях изменяются минералогический состав, структурно-текстурные особенности и, в отдельных случаях, химический состав исходных пород.

Характерной особенностью любого метаморфического процесса является перекристаллизация исходной породы в твердом состоянии. Иначе говоря, в каждый данный момент метаморфического процесса ни вся порода в целом, ни сколько-нибудь её существенная часть не переходят в растворенное или расплавленное состояние. Жидкая фаза при метаморфизме присутствует только в подчиненных количествах.

Региональный метаморфизм - процесс, при котором из-за тектонических перемещений целые области верхних участков земной коры оказываются в глубинных условиях, то есть в условиях сильно повышенных температур и давлений. Сами породы под влиянием сильных динамических воздействий превращаются в кристаллические сланцы, способные раскалываться на пластинки и плитки (например: глинистые сланцы, аспидные сланцы, слюдяные сланцы, гнейсы и др.). Если метаморфизму подвергаются тонкослоистые осадочные породы, причем направление давления совпадает с направлением слоистости или близко к нему, то происходит сминание прослоек с образованием многочисленных мелких складок.

Любой метаморфизм сопровождается перемещением и перегруппировкой вещества, которые происходят в ходе перекристаллизации исходной породы. В одних случаях перемещение и перегруппировка вещества носят характер взаимодействия между составными частями исходной породы. При этом метаморфический процесс не сопровождается существенным изменением химического состава исходной породы. Такой метаморфизм называется изохимическим метаморфизмом (или просто метаморфизмом). Вместе с тем в природе широко распространён процесс метаморфизма, при котором происходит не только минералогическое и структурно-текстурное изменение исходной породы, но и коренное изменение ее химического состава. Такие метаморфические процессы называются неизохимическими (метасоматозом). Таким образом, метасоматозом именуется процесс замещения породы в целом или отдельных минералов с изменением химического состава. При этом растворение исходных минералов и образование новых происходят одновременно, так что порода в течение всего процесса сохраняет твердое состояние.

Метаморфизм (греч. metamorphoуmai - подвергаюсь превращению, преображаюсь) - процесс твердофазного минерального и структурного изменения магматических, осадочных и ранее метаморфизованных пород под воздействием факторов метаморфизма: температуры, давления и глубинных флюидов (флюид - существенно водная, водно-газовая, паровая или газовая среда, заключенная или переносимая в массе горных пород литосферы).



1. Основы химической кинетики метаморфических процессов

Химическая кинетика - это учение о химических процессах, их механизмах и закономерностях протекания во времени. Механизм химической реакции - совокупность стадий, из которых складывается та или иная реакция. Количественные характеристики и закономерности протекания химических реакций во времени неразрывно связаны с их механизмами. В этом состоит важнейшее отличие временных (кинетических) характеристик химических реакций от термодинамических: изменения энтальпии, энтропии, изобарного потенциала, константы химического равновесия и других, которые не зависят от пути протекания химической реакции.

В зависимости от того, одну или несколько фаз образуют исходные вещества и продукты реакции, химические процессы могут быть гомофазными (исходные вещества, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции находятся в пределах одной фазы) и гетерофазными (исходные вещества, стабильные промежуточные вещества и продукты реакции образуют более чем одну фазу).

Реакции могут быть гомогенными (реакции, которые протекают в пределах одной фазы) или гетерогенными (реакции, идущие на границе раздела фаз). Сложные реакции, в которых одни стадии являются гомогенными, а другие - гетерогенными, называются гомогенно-гетерогенными.

Скорость реакции - изменение количества вещества (уменьшение исходных веществ и увеличение продуктов реакции) за единицу времени в единице объема реакционного пространства.

Главной особенностью процессов кристаллизации метаморфических горных пород является то, что они совершаются в горной породе, которая сохраняет твердое состояние. При незначительном объем жидкой фазы, образовавшиеся растворы при кристаллизации минералов вступают во взаимодействие с минералами, поэтому, кроме химических процессов, протекающих в самих растворах, необходимо учитывать то, что происходит с кристаллическими решетками минералов, с которыми эти растворы взаимодействуют. В частности, химические реакции при минералообразовании в метаморфических породах происходят не только на границе кристаллов и растворов, но и внутри кристаллических решеток минералов.

2. Процессы метаморфизма

Горные породы одного и того же минералогического состава, подвергаясь воздействию различных видов метаморфизма, приобретают разный минералогический состав. Среди метаморфических пород это явление имеет широкое распространение, встречается оно, хотя и гораздо реже, также и среди изверженных пород и известно под названием гетероморфизма. Гетероморфизм магматических горных пород объясняется тем, что магма одинакового химического состава при различных условиях кристаллизации может дать породы разного минералогического состава. Причиной гетероморфизма, столь широко распространенного среди метаморфических пород, является приход химического состава метаморфической горной породы к равновесию.

Помимо всего прочего химические реакции при метаморфизме можно охарактеризовать обратимостью или необратимостью. На поверхности Земли обнажаются метаморфические породы, образовавшиеся при различных давлениях и температурах, а также их неметаморфизованные аналоги. Сохранность первых из них в поверхностных условиях можно объяснить метастабильным характером присутствующих парагенезисов, претерпевших охлаждение. Оно будет идти примерно с той же скоростью, что и нагрев. Почему же в таком случае реакции, идущие в ходе нагревания (на прогрессивной стадии метаморфизма), не протекают в обратном направлении при столь же медленном охлаждении? Ответ кроется в том, что на прогрессивной стадии метаморфизма выделяющаяся при дегидратации вода вследствие открытого характера системы удаляется из нее.

Примеры необратимых равновесий:

Кварц + Хлорит + Мусковит = Биотит + Кордиерит + Гранат + Н2О

Мусковит + Кордиерит + Гранат = Кварц + Ставролит + Биотит + Н2О

Мусковит + Ставролит + Кордиерит = Кварц + Силлиманит + Биотит + Н2О

Кварц + Ставролит + Мусковит = Биотит + Гранат + Силлиманит + Н2О

Кварц + Ставролит = Кордиерит + Гранат + Силлиманит + Н2О

Именно поэтому сохраняются такие высокотемпературные минералы, как пироксены, гранаты и кордиериты. Фактором, препятствующим гидратации, даже при наличии воды, может быть и слабая проницаемость полностью перекристаллизованных пород.

Вода является активным агентом метаморфических реакций, если даже и не участвует непосредственно в этих реакциях, она выполняет роль катализатора, а также роль среды, через которую идет поступление компонентов к растущей грани кристалла. В сухом состоянии диффузия вещества к зерну протекает значительно медленнее, чем через флюид. Интересно, что присутствие воды в виде отдельной самостоятельной фазы не обязательно, достаточно бывает адсорбционных пленок.

Изменение условий метаморфизма (температур и давлений) приводит к изменению минерального состава пород, осуществляемое с помощью метаморфических реакций. В зависимости от характера минералообразования их можно подразделить на 6 типов:

1. Твердофазные превращения подразделяются на полиморфные переходы и разложение соединений. В реакциях этого типа летучие компоненты не участвуют, потому теоретически они не должны зависеть от состава флюида - он оказывает только каталитическое действие.

2. Реакции дегидратации (с повышением температуры) - гидратации (с понижением температуры).

3. Реакции с участием углекислоты. Различают реакции карбонатизации-декарбонатизации (реакции с поглощением или выделением углекислоты) и реакции с одновременным участием Н2О и СО2, они наиболее сложные.

4. Реакции кристаллизации сухих и мокрых магм:

5. Реакции окисления-восстановления:

6. Обменные реакции без появления новых минеральных фаз. При изменении условий обменные реакции протекают с изменением химического состава пород, но без изменения их видового минерального состава.

Движущей силой метаморфических реакций является изменение свободной энергии, которая освобождается или поглощается при обратимых процессах. Свободная энергия минимальна, когда в системе достигнуто равновесие. Система может быть открытой, если через ее границы происходит перемещение вещества (аллохимический метаморфизм), или закрытой (изохимический метаморфизм).

Химические реакции при метаморфизме с устойчивой температурой и давлением с течением времени достигают наиболее низкого уровня энергии в при данных условиях (химического равновесия). Минеральные ассоциации, образовавшиеся при этом, будут равновесны (или стабильны) до тех пор, пока не изменится хотя бы один из фактор, отвечающий за химическое равновесие (температура, давление или флюидный режим).

Метаморфическая кристаллизация обычно протекает одновременно с химическим изменением минеральных фаз, воздействием температуры, присутствием флюида и деформаций. Эти факторы оказывают сильное влияние на образование дефектов в кристаллах, делают их неустойчивыми, подверженными перекристаллизации. Свободная энергия, связанная с ходом химических реакций, способствует их протеканию и увеличивает их скорость. Наиболее важным фактором метаморфического процесса является температура, которая контролирует скорость реакций, подвижность флюида, а также возникновение и смещение дефектов в кристаллах. В процессе кристаллизации высвобождение энергии происходит путем снятия энергии внутреннего напряжения кристаллов и уменьшения энергии, связанной с поверхностью зерен при их росте. Эти "потери" энергии составляют движущую силу метаморфических реакций.

3. Парагенетический анализ метаморфических пород

С помощью парагенетического анализа метаморфических пород по её минеральному составу можно определить внешние условия ее образования, кристаллизации (температуру кристаллизации, давление, особенности химизма внешней среды, которые оказывают влияние на кристаллизацию породы).

Из упомянутого ранее определения парагенезиса, можно догадаться, что при анализе исследованию подвергается такая ассоциация минералов, которая образовалась в единых условиях и является равновесной. Сущность парагенетических отношений состоит в том, что при заданных параметрах внешней среды - температуре, давлении, возможностях обмена каким-то веществом - минеральный состав изучаемой кристаллической породы оказывается строго определенным. С изменением внешних параметров он может претерпевать соответствующие изменения.

Минеральная ассоциация - совокупность всех минералов, совместно присутствующих в данном участке земной коры (или образце).

Появление той или иной минеральной ассоциации в метаморфической породе определяется двумя главными факторами:

1) химическим составом породы и присутствующей в ней флюидной фазы;

2) условиями давления и температуры.

Следует отметить, что некоторые породы легче подвергаются изменениям и потому представляют собой лучшие индикаторы интенсивности метаморфизма чем другие.

Парагенетическая ассоциация - минеральная ассоциация, образованная в едином геологическом процессе (или ассоциация генетически связанных между собой минералов). Минеральная ассоциация охватывает несколько парагенетических ассоциаций, сменяющих одна другую во времени, то есть, парагенетическая ассоциация - частный случай минеральной.

С целью определения истинных парагенезисов минералов необходимо использовать некоторые критерии. Ниже приведены некоторые критерии устойчивого сосуществования метаморфических минералов:

1) непосредственные контакты друг с другом всех фаз парагенезиса, за исключением некоторых экранированных от реакции, например включения;

2) одинаковый состав внешних зон различных зерен одной и той же фазы;

3) одинаковое распределение компонентов между парами фаз в различных частях рассматриваемого объема породы;

4) соответствие температур, полученных в результате изучения соотношений изотопов кислорода в различных минералах и в разных частях обсуждаемого объема породы;

5) устойчивые формы зерен и включений минералов ассоциаций, как это уже обсуждалось выше.

Стоит упомянуть о так называемой запрещённой минеральной ассоциации - ассоциация, невозможная в данной системе. То есть, данные минералы в ассоциации никогда не могут образоваться совместно, например, кварц и нефилин, которые реагируют друг с другом с образованием другой минеральной фазы - альбита.

Существует так называемая петрогенетическая сетка, которая представляет собой диаграмму с координатами (Р и Т), на которую нанесены кривые моновариантного равновесия. Линии моновариантных равновесий делят пространство РТ-диаграмм на поля, характеризующиеся присут-ствием взаимоисключающих бивариантных ассоциаций.

В настоящее время петрогенетическая сетка приобрела большое практическое значение: при помощи ее решаются петрологические задачи метаморфизма. С каждым годом она пополняется новыми кривыми, при этом весь набор кривых требует время от времени ревизии и градуировки в свете новых уточненных экспериментальных данных. Для построения петрогенетических сеток используют наиболее информативные ассоциации парагенезисов.

Кристаллобластический ряд - ряд, в котором каждый предыдущий минерал характеризуется большим стремлением к образованию собственных форм по сравнению с другим минералом, расположенным ниже:

Рутил, сфен, магнетит.

Турмалин, кианит, ставролит, гранат, андалузит.

Эпидот, цоизит, форстерит.

Пироксены, амфиболы, волластонит.

Слюды, хлорит, тальк, стильпномелан.

Доломит, кальцит.

Скаполит, кордиерит, полевые шпаты.

Кварц.

Из этого общего правила имеются некоторые исключения: например, сфен в хлоритовых сланцах часто встречается в виде округлых каплевидных зёрен, несмотря на его высокое положение в кристаллобластическом ряду.

4. Метаморфические фации

Метаморфическая фация - группа пород, характеризующихся определенным рядом минералов, которые образовались в особых метаморфических условиях. Другое же определение можно дать следующим образом: метаморфическая фация - это набор парагенезисов метаморфических минералов, неоднократно возникавших в пространстве и во времени.

Вернон Р.Х. (1980), характеризуя понятие метаморфической фации, выделяет следующие ее особенности:

1. Между минеральной ассоциацией и валовым химическим составом породы существуют постоянные соотношения.

2. Метаморфическая фация относится не к одному типу пород (или парагенезисов минералов), а охватывает целый ряд их, образовавшихся в одном интервале условий температуры, давления и других переменных (например, состава присутствующего флюида).

3. Все породы с одинаковым валовым химическим составом в том случае, если они относятся к одной метаморфической фации, представлены одной и той же ассоциацией минералов.

4. Такие ассоциации, где бы они ни были обнаружены, должны быть стабильными или устойчиво метастабильными.

5. Схема метаморфических фаций - это удобная широкая генетическая классификация метаморфических пород в параметрах главных переменных - всестороннего давления и температуры.

6. В следствие сложного характера метаморфических реакций, которые, вероятно, характеризуются не единичными линиями, а интервалами давлений и температур, границы между фациями метаморфизма также следует рассматривать как постепенные.

7. Схему метаморфических фаций нельзя корректно приложить к регионам, в которых отсутствуют породы состава, благоприятного для кристаллизации диагностических ассоциаций.

Изучение петрографии и химического состава региональных метаморфизованных пород Австрийских Альп позволило Ф. Бекке* в 1913 г. сформулировать ряд постулатов, которые сыграли в дальнейшем большую роль при разработке учения о фациях метаморфизма. Их краткая характеристика:

· Породы, претерпевшие изменения при метаморфизме, стремятся к химическому равновесию.

· Высокое давление представляет мощный фактор метаморфизма. Большинство метаморфических реакций, протекающих при участии давления, ведет к образованию ассоциаций минералов с меньшим молекулярным объемом.

· В том случае, когда температура метаморфизма играет превалирующую роль по сравнению с давлением, "закон объемов" нарушается. При высоких температурах образуются кальциевые и калиевые полевые шпаты вместо более плотных эквивалентов - слюд и эпидота.

· Физические условия метаморфизма и минеральные ассоциации соответствуют двум основным зонам. Верхняя зона характеризуется реакциями, которые определяются возрастающим давлением. Типичные породообразующие минералы этой зоны - эпидот, мусковит, хлорит, альбит, хлоритоид, антигорит. В нижней зоне влиянию даже более высокого давления на метаморфические реакции противодействует высокая температура. Типичными минералами нижней зоны являются пироксены, гранат, ортоклаз, силлиманит, плагиоклаз, кордиерит, оливин. Между зонами нет резкой границ, потому существуют общие минералы для обеих зон: кварц, роговая обманка, биотит, ставролит.

5. Динамометаморфизм

Динамометаморфизм (греч. дэнбмйт - сила и metamуrphosis - превращение) (или дислокационный метаморфизм) проявляется, главным образом, в верхних частях земной коры, в зонах развития тектонических движений дислокационного характера. Часто локализуется вдоль разрывных тектонических нарушений, крупных разломов типа сдвигов и надвигов, развивающихся в режиме сжатия (следствием последнего является ориентированное одностороннее давление - стресс).

При динамометаморфизме изменяются в основном структурно-текстурные особенности горных пород. Под влиянием стресса происходит либо хрупкое разрушение, дробление пород, либо, обычно на большей глубине, их пластическое течение вдоль плоскости разлома к поверхности, где давление наименьшее.

Сжатие придает зернам минералов определенную ориентировку параллельно плоскости разлома, вследствие этого порода приобретает полосчатую текстуру. Этому способствует и появление новообразованных чешуйчатых минералов - хлорита, слюд (мусковит, биотит), талька, также располагающихся параллельными слоями, делая породу сланцеватой и превращая ее в бластомилонит. Они чаще всего развиваются по таким осадочным породам, как глины, граувакковые песчаники, а также по вулканическим туфам и туфопесчаникам и более древним регионально-метаморфизованным породам.

Ниже уровня 10-15 км температура повышается, и роль воды возрастает. Наряду с проявлением стресса здесь увеличивается общее давление. Генерация тепла обусловлена геотермическим градиентом и трением при быстрых скольжениях по трещинкам механической сланцеватости. В зонах тектонических нарушений флюидная фаза свободно перемещается, переносит большие количества кремнезема, карбонатов и других веществ. В условиях больших глубин при повышенных температурах и высоком парциальном давлении воды проявляется пластическая деформация, которая означает деформацию отдельных минеральных индивидов и обусловливается скольжением блоков кристаллической решетки вдоль определенных плоскостей, двойникованием и процессом атомно-молекулярной диффузии. Вода ослабляет сцепление зерен и делает их более пластичными, поэтому они не дробятся, а деформируются. Это ещё одно важное свойство воды в участии процесса метаморфизма помимо того, что уже было сказано ранее.

В зонах механического рассланцевания образуются полосчатые породы с накоплением чешуйчатых минералов вдоль плоскостей сланцеватости и субизометричных зерен кварца, полевых шпатов, карбонатов между ними.

6. Импактный метаморфизм

Ударный, или импактный, метаморфизм занимает особое место среди метаморфических процессов. Он не связан ни с эндогенными, ни с экзогенными процессами, которые протекают на Земле. Этот процесс метаморфизма связан с космогенногеологическими явлениями, происходящими в участках соударения метеоритов с поверхностью Земли. В местах падения крупных метеоритов образуются взрывные воронки (кратеры) - астроблемы. В настоящее время на Земле выявлено более 200 подобных образований (в том числе 20 из них в России) и ежегодно выявляется до десяти новых. По представлениям исследователей, за последний миллиард лет произошло около миллиона соударений, а большинство астроблем не обнаружено по причине перекрытия их более молодыми осадками или водами мирового океана, уничтожения процессами эрозии. Предполагается, что могут быть обнаружены еще около 900 метеоритных кратеров.

Изучение астроблем является достаточно молодым направлением, которое начало развиваться с 1960-х гг. В России наиболее подробные работы по проблемам импактного метаморфизма выполнены В.Л. Масайтисом и В.И. Фельдманом. В процессе импактного метаморфизма выделяется большое количество энергии, сходное с количеством энергии, которое обусловливает землетрясения или извержения вулканов. При этом ударный метаморфизм протекает с высокой динамичностью явлений. Метеориты движутся в пространстве со скоростью 5- 41 км/с, а скорость их соударения с поверхностью Земли находится в пределах 0,1-7,2 км/с. В результате столкновения метеорита с поверхностью Земли происходит резкое его торможение. Энергия метеорита расходуется на механическую работу внедрения метеорита в породы, на ударное сжатие вещества метеорита и пород, на их нагрев. В зависимости от величины ударного давления вещество подвергается разрушению, оставаясь твердым, частично или полностью плавится или испаряется.

При скорости соударений до 3-4 км/с происходит разрушение метеорита и грунта, образуется воронка, размеры которой зависят от размера метеорита и скорости соударения. Если скорость соударения превышает 3-4 км/с, то происходит взрыв. Причиной взрыва является практически моментальное расширение продуктов испарения метеорита и горных пород. Наиболее часто встречающаяся форма астроблем - пологая чаша с глубиной, достигающей 1/3 диаметра, имеющая в плане округлые очертания. В кратерах крупных размеров отмечаются центральная горка и кольцевые поднятия. При формировании небольших метеоритных кратеров 3/4 вещества выбрасывается, а 1/4 - вдавливается.

Породы, образующиеся при ударном метаморфизме, называют импактитами. Термин был предложен В. Барнсом для обозначения стекол, возникающих из расплава при метеоритном ударе. Со временем смысл термина расширился, сейчас он применяется для характеристики всех типов ударнометаморфизованных пород. Однако, Масайтис В.Л. предлагает эти породы называть коптогенными (в переводе с греч. "ударять, дробить, разбивать").

Изучение астроблем и продуктов ударного метаморфизма требует их геологического картирования с тщательным исследованием в лабораторных условиях. Достаточно сложно раскрыть всю полноту процессов импактного метаморфизма, так как данная тема требует отдельного рассмотрения из-за большого объёма данных, терминов, текстурно-структурные и минералогические особенностей и их систематики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном реферате были рассмотрены основные сведения о метаморфизме. Охарактеризованы основные понятия и определения, элементы химической термодинамики и кинетики, понятие метаморфических фаций, парагенетический анализ, метаморфические формации и геологические обстановки их образования, а также основные для понимания процессы метаморфизма (импактный, динамометаморфизм).

При изучении метаморфизма, мною было изучено достаточно большое количество специальной литературы. По причине того, что выданная тема заинтересовала меня, было бы непозволительно так кратко охарактеризовать метаморфические процессы минералообразования.

Смею надеяться, что данный реферат будет полезным другим студентам минералогических специальностей нашего вуза.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Фасмер М. Этимологический словарь русского языка. -- Прогресс. -- М., 1964-1973. -- Т. 2. -- с. 623--624.

2. Бетехтин А. Г. Минералогия и понятие о минерале // Курс минералогии. 3-е изд., исправленное и дополненное. М.: Кн. дом Университет, 2014. с. 543.

3. Юричев, А. Н. Метаморфизм - учебное пособие; Министерство образования и науки Российской Федерации, Томский гос. ун-т. - Томск : Изд. Дом Томского гос. ун-та, 2014. - 168 с. : ил.; 20 см.; ISBN 978-5-94621-407-0

4. Черкасова Т. Ю. Основы кристаллографии и минералогии: учебное пособие; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 207с.

5. М.А. Афанасьева, Н.Ю. Бардина, О.А. Богатиков и др. Петрография и петрология магматических, метаморфических и метасоматических горных пород: Учебник. Под ред. В.С. Попова и О.А. Богатикова. - М.: Логос, 2001. - 768 с.: ил.

6. Летников Ф.А. Глубинные флюиды континентальной литосферы. Материалы всероссийского совещания (6-9 октября 2015 г.). - Иркутск: Институт земной коры Сибирского отделения РАН, 2015. - 205 с.

7. Х. Вильямс, Ф. Дж. Тернер, Ч. М. Гилберт. Петрография. Введение в изучение горных пород в шлифах. Издательство иностранной литературы, Москва, 1957. - 426 с.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Диагностика минералов

Для правильного определения минералов необходимо придерживаться принципа исключения, не стоит сразу называть минерал "на глаз". Первоначально по внешним признаками необходимо выделить группу минералов с похожими физическими свойствами. Помимо этого особое внимание стоит уделить парагенезису минералов, подсказкой которого служит выданная совместно с образцом тема реферата.

Определение физических свойств минералов осуществляю в следующей последовательности:

1) Твёрдость определяю с помощью шкалы Мооса, представленной шестью эталонами, начиная с кальцита и заканчивая кварцем. Определить мягкий минерал или твердый можно с помощью стекла (твёрдость по шкале Мооса равняется 5). После уточнения твёрдости исследуемого минерала необходимо воспользоваться имеющимися эталонами по тому же принципу.

2) Плотность или удельный вес легко диагностировать по ощущению тяжести в руке путем приблизительного взвешивания (покачиванием).

3) Спайность определяю визуально или с помощью лупы (микроскопа) по характеру правильных, четких, повторяющихся плоскостей на поверхности минералов, не путая её при этом с гранями кристаллов.

4) Необходимо обращать внимание на облик кристаллов и морфологию агрегатов

2. Описание выданного образца минерала

3.

Выданный образец представляет из себя метаморфическую горную породу с двумя видами включений, видимых глазом.

Основная масса:

Порода представляет собой слоистую структуру чёрного цвета с некоторыми золотисто-коричневыми вкраплениями. Легко крошится с образованием пыли (мелкие пластинчатые кристаллы). Легко расщепляется на тонкие упругие листочки. Спайность весьма совершенная. Блеск шёлковый с некоторыми всполохами металлического. Текстура породы сланцевая полосчатая с мелкими складками. Наблюдается плитчатость в одном направлении. Твёрдость сложноопределима: при царапании по стеклу, образец крошится, но не оставляет следов, значит - менее пяти. При дальнейшем исследовании твёрдости было установлено, что она около 3-3,5. Излом неровный. С кислотами не реагирует. При небольшом нагревании (с помощью свечи) видимых изменений не наблюдается. Плотность не определяется, так как она суммируется, в отличие от блеска. Предполагаю наличие двух минеральных фаз в данной сплошной массе.

Приняв во внимание генезис и парагенезис, предполагаю, что минеральную массу образовали два минерала: биотит и мусковит. Обращаю внимание на написанное выше в реферате. На странице 20 упоминается сжатие, которое придает зернам минералов определенную ориентировку параллельно плоскости разлома, из-за чего порода приобретает полосчатую текстуру. Этому способствует и появление новообразованных чешуйчатых минералов: слюд, в том числе мусковита и биотита.

Проведённый анализ в лаборатории оптической минералогии (иммерсионный метод микроскопического наблюдения):

Минеральная масса имеет анизотропную структуру

Результаты занесены в таблицу

Номер иммерсионной жидкости	Показатель преломления жидкости	Движение полоски Бекке в первом положении погасания	Движение полоски Бекке во втором положении погасания	следует брать жидкость с …
80	1,661	в жидкость	в жидкость	меньшим n
50	1,601	в жидкость	в жидкость	меньшим n
41		в кристалл	в кристалл	большим n
46		в кристалл	в кристалл	большим n
48	1,593	в кристалл	в кристалл	большим n
49	1,6	в жидкость	в жидкость

(Для чистоты эксперимента были проведены по два сходящихся опыта)

Вычислены показатели преломления:

Включения:

1) Цвет розовато-красный, на просвет даёт оранжевые всполохи (трудно разглядеть из-за особенностей цветопередачи камеры). Блеск стеклянный. Твёрдость 7. Излом неровный. Изотропен. Форма кристаллов - ромбододекаэдр. Сингония кубическия. На гранях штриховатость. Иммерсионным методом было определено, что показатель преломления n > 1,78 (жидкостей с большем показателем преломления нет). Спайность отсутствует. Удельный вес сравнительно большой.

По определённым признакам могу предположить, что это гранат. По цвету кристалла и цвету на просвет - пироп с химической формулой Mg₃Al₂[SiO₄]₃.

2) Цвет желтовато-белый, матовый. Блеск стеклянный. Спайность отсутствует. Формы кристаллов - гексагональные призма с гексагональной пирамидой. Твёрдость 7. Излом, спайность и плотность сложно определить из-за размера включений (кристаллы не более трёх миллиметров). Учитывая генезис и парагенезис, могу утверждать, что это кварц с химической формулой SiO₂.

3. Выводы

По последнему пункту представленной характеристики фаций метаморфизма можно увидеть, что гранаты характерны для нижней зоны физических условий метаморфизма, мусковит образуется в верхней, а биотит принадлежит к минералам, общим для верхней и нижней зон. Из чего можно сделать вполне логичный вывод, что данный образец горной породы образовался в промежуточном положении между верхней и нижней зонами физических условий метаморфизма.