10. Metamorfizm, Geografia
[ Pobierz całość w formacie 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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]